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Cell子刊深度解读!突触的进化机制和奥秘!

来源:本站原创 2020-06-29 22:42

2020年6月29日 讯 /生物谷BIOON/ --在任何神经系统中最容易识别的特征就是突触,尽管突触是如何进化的这个问题对于科学家们而言一直是一个谜,但如今这个问题基本已经被解决了,简言之,神经元细胞之间的突触似乎是从最初的细胞与细胞之间的接触直接进化而来的,即连接早期多细胞生物原始上皮层的粘附连接和其它纽带。

话句话说,关于神经系统如何起源的故事可以追溯到多细胞自身的起源,或者至少是与其接近的起源等,而这一论断的意义是非常深远的,虽然确切的细节还很模糊,但多细胞生物是通过克隆获取和合并的事件进化而来的,在最简单的情况下,分裂的细胞会复制其DNA并按照正常的方式来分割细胞膜,但自细胞依然会吸附,在单个细胞的成熟过程中,随着一些暂时性的诱导,一种明显的表型分化的形式就会很快随之而来,而一些子代细胞可能会快速进入正常的成年形态,而另一些自细胞则会以某种新的分化形式被永久性地搁置。

图片来源:neuroscientificallychallenged.com

另一种形成多细胞的途径就是,具有完全独特DNA的独立细胞会以某种方式连接在一起,而奇怪的是,第二种机制仍然会存在于多种现存的聚集生物体中,比如粘菌类和鞭毛虫等。作为所有后生动物的姐妹群体,领鞭虫(choanoflagellates)就受到了研究人员的特别关注,不仅仅是因为其在单细胞和殖民主义之间能够灵活转换,还因为其发育出了特殊的细胞连接来控制其状态和极性,虽然聚集通常会被认为是对饥饿和压力的一种反应,但还有另一个关键组成部分能将这些生物的行为与神经系统更直接地联系起来。

神经元的通讯系统,也就是其神经递质系统最初是如何进化的,这个问题如今研究人员有了答案,最近一项刊登在国际杂志Current Biology上的综述报告中,研究者Detlev Arendt详细介绍了前后突触的实际硬件的全部起源,文章中研究人员列出了典型的生命小分子传递系统首次出现在舞台上的顺序,并记录了相关的结构基质等信息。

在突触前部,研究者将其分为三个主要部分,活跃区的囊泡释放基质、依赖电压的钙质通道能将刺突转化为钙顺变状态,SNAP/Snare/突触结合蛋白复合体能将钙质信号转化为囊泡融合状态,特别是在突触蛋白的进化扩张过程中,似乎在细胞膜之间甘油糖脂的钙调控转运中发挥了重要的早期作用,一旦形成囊泡,这些膜包裹就不可避免地含有亲水蛋白,而且还可能会含有溶解性肽类,这些肽类会被排除或以其它方式导入膜包的内部。

进化记录还显示,一些囊泡状的嘌呤核苷酸转运体在生命早期就已经存在了,通过在混合物中加入适当的受体,粗肽和核苷酸传递系统的组成在动物出现之前就已经被掌握了。比如在领鞭虫中,分泌小泡会从反式高尔基体网络中萌芽,并与顶端的原生质膜融合;在许多非神经分泌细胞类型的致密核囊泡分泌过程中,一种几乎完全对钙敏感的突触前机制也会保持活跃。除了肽类和核苷酸转运体外,第一个就是现代的氨基酸神经递质似乎是谷氨酸,SLC17A6-8家族中的囊泡性谷氨酸转运体(溶质载体)存在于所有动物机体,包括早期的分支海绵和胎盘动物等。第一个囊泡异质性氨基酸转运载体(VIAAT-SLC32A1)似乎是为了对GABA和甘氨酸的摄取,因为其存在于刺胞动物的祖先中,随后进化的就是囊泡型乙酰胆碱转运蛋白(VAChT-SLC18B3),其目前只存在于双侧体中,研究人员得出了一个大致的初始转运递质年代表:ATP>谷氨酸>GABA/甘氨酸>乙酰胆碱。

在突触后端,研究者注意到模块化的结构或许要比突出前更加多变,尽管谷氨酸能突触与异质性突触在重要方面上有所不同,但由于其复杂的脊椎形成,这往往要比胆碱能突触更为复杂;比如,在两个兴奋性而非抑制性突触中,受体直接与构建在突触前,密度特异性蛋白柄周围的支架蛋白结合,而烟碱乙酰胆碱受体家族则是配体门控的无聚氰胺离子通道,其与GABA和甘氨酸受体的关系较远。

图片来源:biology.stackexchange.com

在谷氨酸突触后,Shank蛋白能通过皮层连接到肌动蛋白骨架上,并与一种称之为Homer的支架蛋白形成网状机制,在进化的某个阶段,早期的谷氨酸突触后结构能接一种古老的丝状突起模块,该模块基于一种称之为IRSp53的支架蛋白,从而就能与突出前建立联系,这种结合产生了标准的树突棘形态,今天我们仍然能在许多兴奋性神经元中观察到。

这种联合研究的主要证据来自于在领鞭虫和海绵领细胞的顶端区域中所发现的含有IRSp53的所谓的微绒毛项圈的丝状结构,实际上,在后生动物的许多感觉和分泌上皮细胞类型中仍然保留着残留的微绒毛颈,比如稳定的IRSp53阳性微绒毛就能够形成毛细胞的末端,也能形成了我们脑室深处的与脊髓液接触的细胞。

晚期进化的胆碱能突触似乎使用了相同的谷氨酸支架,而不像Homer和IRSp53模块,另一方面,抑制性的GABA和甘氨酸突触后结构并不能将其离子型受体彼此固定在一起,也不能将Shank、Homer或IRSp53固定在细胞骨架上。相反,研究者使用了一种名为桥尾蛋白(gephyrin)的分子,奇怪的是,桥尾蛋白还发挥着一种关键、有时甚至是神秘的角色,其位于复杂的钼辅因子合成链的顶端。

研究人员想知道这种古老的、广泛表达且关键性的钼合成蛋白是如何获得突触端结构的,这就是我们现在面临的百万美元问题,也许线索很快就会从上述那种系统发育检查中得到。当研究人员开始更仔细地察看在突触处把东西固定在一起的许多球蛋白和整合蛋白时,他们就有可能直接观察到在最原始的生物中发现的特定粘连、闭塞和隔膜连接亚型的僵硬的顶端到基部的垂直排序是如何在拓扑学上展开成为线性、极化且轴突状的域,而这些域就是今天固定我们自己的神经系统中的信息。

严格来讲,紧密连接会在脊索动物中首先出现,其位于粘连节的顶端,而更难以捉摸的独立节则出现在两侧位置。有趣的是,隔膜结只在无脊椎动物中被毫不含糊地报道过,只有一个地方例外,即脊椎动物的副节部位。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

【1】The evolution of the synapse

【2】Detlev Arendt. The Evolutionary Assembly of Neuronal Machinery, Current Biology (2020). doi:10.1016/j.cub.2020.04.008

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