Cell：利用微小的海洋生物扁盘动物有助揭示神经元的古老起源

在一项新的研究中，来自西班牙巴塞罗那基因组调控中心的研究人员通过着重关注一类毫米大小的海洋动物---扁盘动物（placozoans），为神经元的进化提供了新的线索。他们发现有证据表明，在这些独特而古老的动物体内发现的特化分泌细胞可能孕育了更复杂动物体内的神经元。相关研究结果于2023年9月19日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution”。

扁盘动物是一种微小的动物，大约只有一粒大沙粒大小，在温暖的浅海中以生活在岩石表面和其他基质上的藻类和微生物为食。这些形似圆球和薄饼的生物非常简单，没有任何身体部位或器官。

这些动物被认为是在大约 8 亿年前首次出现在地球上的，是与栉水母纲（Ctenophora）、多孔动物（Porifera）、刺胞动物（Cnidaria，包括珊瑚、海葵和水母）和两侧对称动物（Bilateria）并列的五大动物门类之一。

这些海洋生物通过多肽能细胞（peptidergic cell）来协调它们的行为，这种特殊类型的细胞可以释放小肽，指导动物的运动或进食。在对这些细胞起源的好奇心驱使下，这些作者采用了一系列分子技术和计算模型，以了解扁盘动物细胞类型是如何进化的，并拼凑出我们远古祖先的外观和功能。

重建远古细胞类型

这些作者首先绘制了所有不同扁盘动物细胞类型的图谱，标注了它们在四个不同物种中的特征。每种细胞类型都有特定的作用，这些作用来自于特定的基因组。这种细胞图谱使得人们能够绘制出这些基因的集群或“模块”。他们随后绘制了控制这些基因模块的 DNA 调控区图谱，从而清楚地了解了每种细胞类型的作用以及它们如何协同发挥作用。最后，他们进行了跨物种比较，以重建这些细胞类型的进化过程。

这些研究结果表明扁盘动物中的九种主要细胞类型似乎是由许多“中间”细胞类型连接起来的，它们从一种类型转变为另一种类型。这些细胞不断生长和分裂，维持着这些动物移动和进食所需的细胞类型的微妙平衡。这些作者还发现了 14 种不同类型的多肽能细胞，但这些细胞与所有其他细胞都不同，没有显示出中间细胞类型，也没有任何生长或分裂的迹象。

令人惊讶的是，这些多肽能细胞与神经元有许多相似之处，而神经元直到数百万年后才出现在更高级的动物中，比如两侧对称动物。跨物种分析表明，这些相似之处是扁盘动物所独有的，并没有出现在海绵或栉水母等其他早期分支动物身上。

进化的垫脚石

多肽能细胞与神经元之间的相似性体现在三个方面。首先，这些作者发现，这些扁盘动物细胞通过类似于刺胞动物和两侧对称动物中神经发生的发育信号，从一群祖上皮细胞（progenitor epithelial cell）中分化出来。

其次，他们发现多肽能细胞具有许多基因模块，这些模块是构建神经元中能够发出信息的部分（突触前支架）所必需的。然而，这些细胞远非真正的神经元，因为它们缺乏神经元信息接收端（突触后）所需的组分或传导电信号所需的组分。

最后，这些作者利用深度学习技术发现，扁盘动物细胞类型之间的交流是通过细胞内的一个系统进行的，在这个系统中，称为G蛋白偶联受体（GPCR）的特定蛋白会检测到外部信号，并在细胞内启动一系列反应。这些外部信号由神经肽介导，其中神经肽是神经元在许多不同生理过程中使用的化学信使。

论文共同第一作者、巴塞罗那基因组调控中心的Sebastián R. Najle博士说，“我们对这些相似之处感到震惊。扁盘动物的多肽能细胞与原始神经细胞有许多相似之处，尽管它们还没有达到那种程度。这就像看到了进化上的一块垫脚石。”

神经元的曙光

这项新的研究表明，8 亿年前，在古代地球浅海中不显眼地觅食的祖先动物中，神经元的组成部分就已经形成了。从进化的角度来看，早期的神经元最初可能类似于今天扁盘动物的多肽能分泌细胞。

这些细胞利用神经肽进行交流，但最终获得了新的基因模块，使得这些细胞能够创建突触后支架，形成轴突和树突，并创建产生快速电信号所需的离子通道---这些创新对于扁盘动物祖先首次出现在地球上约一亿年后神经元的出现至关重要。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.027。

然而，神经系统的完整进化过程仍有待考证。据认为，第一个现代神经元起源于大约 6.5 亿年前的刺胞动物和两侧对称动物的共同祖先。然而，栉水母中也存在类似神经元的细胞，尽管它们在结构上有很大差异，而且缺乏现代神经元中大多数基因的表达。

扁盘动物细胞中存在一些神经元基因，而栉水母中却没有，这引发了有关神经元进化轨迹的新问题。

论文共同第一作者、巴塞罗那基因组调控中心博士后研究员Xavier Grau-Bové博士说，“扁盘动物缺乏神经元，但我们如今发现它们与我们的神经细胞有着惊人的分子相似性。栉水母有神经网，与我们的神经网有关键的不同之处，也有相似之处。神经元是一次进化然后分化，还是不止一次并行进化？它们是马赛克吗，每一块都有不同的起源？这些都是有待解决的开放性问题。”

这些作者相信，随着世界各地的科学家们继续对不同物种的高质量基因组进行测序，神经元的起源和其他细胞类型的进化将变得越来越清晰。

论文通讯作者、巴塞罗那基因组调控中心的Arnau Sebé-Pedros教授总结道，“细胞是生命的基本单位，因此了解细胞如何产生或随时间发生变化是解释生命进化故事的关键。扁盘动物、栉水母、海绵和其他非传统模式动物蕴藏着我们刚刚开始揭开的秘密。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Sebastián R. Najle et al. Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.027.

2. Tiny sea creatures reveal the ancient origins of neurons
https://www.crg.eu/en/news/tiny-sea-creatures-reveal-ancient-origins-neurons