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脑细胞源自海中的扁形动物?科学家发现 8 亿年前的神经细胞前身

SF中文 2023/9/30 12:32:14 责编:梦泽
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本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

神经细胞是除海绵和扁盘动物以外的所有动物神经组织的主要组成部分。科学家认为产生电信号的能力最早出现在 7 亿年前,而在最新的研究中,科学家通过对扁盘动物进行“细胞普查”,发现这种起源于 8 亿年前的动物体内的肽能细胞可能就是神经细胞的前身。

文 | 闻静

神经细胞是特殊的细胞,具有一些其他所有真核细胞共有的结构,例如细胞体、细胞核、光滑粗糙的内质网、高尔基体、线粒体和其他细胞成分。此外,神经细胞还有一些独特的结构,如树突和单个轴突。神经细胞通过突触与其他细胞进行通信,通常使用微量化学神经递质等将电信号从突触前神经元通过突触间隙传递到靶细胞。

神经细胞的多样性及其起源一直是发育神经生物学的核心问题之一。近日,发表于《细胞》(Cell)的一篇文章显示,扁盘动物身体中的多种肽能细胞可能是神经细胞的前身。这些肽能细胞获得了新的基因模块,能够产生快速电信号,而产生电信号的能力是神经系统进化的关键一步。

绘制扁盘动物的细胞图谱

大多数动物都是两侧对称动物,除了海绵、桎水母、扁盘动物和刺胞动物。其中,扁盘动物是一种没有组织和器官、更没有神经系统的多细胞动物,形状、大小、运动方式都神似变形虫,因此,又被称为多细胞变形虫。扁盘动物被认为是地球上最简单的动物。

在新研究中,科学家主要分析了 4 种扁盘动物,利用前沿的高通量染色质分析和单细胞基因组学技术,并结合先进的计算方法,绘制出了扁盘动物的细胞图谱。在新图谱中,科学家根据基因表达的特征,详细标注出了四种扁盘动物的所有细胞类型,每种类型有什么作用,以及这些细胞之间如何协同工作。

此前的研究显示,组成扁盘动物的几千个细胞,按照形态可主要分为 9 种类型,但是,新图谱显示,在 9 种主要细胞类型之外,还有许多“中间类型”的细胞,这些细胞维持着不同类型的细胞在生长、分裂、分化中保持平衡。

值得注意的是,还有一些既不是 9 种主要类型的细胞、也不属于中间类型的特殊细胞。这些细胞能分泌出小片段的肽,研究人员称之为“肽能细胞”(peptidergic cell)。在新研究中,科学家一共找到了 14 种不同的肽能细胞。

肽能细胞与神经细胞的相似之处

遗传学分析和显微镜筛选显示,这些肽能细胞的行为和神经细胞类似,可以通过释放肽信号来协调扁盘动物的行为。扁盘动物细胞之间的相互交流利用了一套特殊的蛋白:GPCR(G 蛋白偶联受体)——GPCR 检测到细胞外的信号分子后,便在细胞内启动一系列反应。肽能细胞表达的神经肽便可作为激活 GPCR 的外部信号。

另外,科学家还发现肽能细胞和神经细胞在其他方面也具备相似之处。一是这些细胞的分化过程,包括接收到的发育信号,与新生神经元的形成过程十分相似。

二是,肽能细胞成套表达的许多基因,或者称基因模块,是神经元突触前(pre-synaptic)结构所必需的。突触是神经元网络的信息传输节点,突触前构成了信息输出端,突触后则是信息输入端。扁盘动物的细胞缺少突触后的组件,但肽能细胞已经初具突触前的雏形。

神经系统是多样性发展的吗?

先前的研究显示,现代神经细胞起源于 6.5 亿年前的栉水母(与扁盘动物同为费两侧对称动物)。“栉水母有神经网络,与我们自己的神经网络有关键的区别和相似之处。”文章的作者之一 Xavier Grau-Bové 说。

而神经细胞与肽能细胞的相似之处也让科学家们震惊。“扁盘动物的肽能细胞与原始神经细胞有许多相似的地方,尽管两者还不一样。我们仿佛看到了演化长途的一个中间过程。”文章的作者之一 Sebastián R. Najle 说。

科学家猜测,神经细胞的“祖先”可能与如今扁盘动物分泌肽段的肽能细胞十分相像,它们利用神经肽交流,后来具备了创建突触后结构的新基因模块,形成了轴突和树突的结构,还装备了可以快速产生电信号的离子通道,最终诞生了现在的神经细胞 —— 为人类引以为傲的大脑奠定基础。

“神经细胞是经历了一种演化过程,然后分化,还是并行地进行了不止一种的演化过程?还是说,不同动物的神经系统有不同的起源?这些都是悬而未决的问题,仍有待解决。”Xavier Grau-Bové 说。

参考文献:

  • https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.027

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关键词:动物细胞

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