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海綿是動(dòng)物生命演化樹上最早的分支譜系之一，它們身體構(gòu)造簡(jiǎn)單，卻擁有許多與人類和其它復(fù)雜生物相同的基因。11月4日，Science 發(fā)表的一項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)，在海綿的消化腔中，類神經(jīng)細(xì)胞會(huì)和消化細(xì)胞交流，就像是一種原始的突觸交流，從而為神經(jīng)系統(tǒng)的起源提供了線索。研究測(cè)定了海綿體內(nèi)大約26000個(gè)基因的表達(dá)，揭示了海綿細(xì)胞的復(fù)雜多樣性，以及神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和消化系統(tǒng)之間可能存在的古老聯(lián)系。 研究領(lǐng)域：復(fù)雜生命起源，神經(jīng)系統(tǒng)，基因表達(dá)圖譜 Viviane Callier | 作者 陳斯信 | 譯者 梁金 | 審校 鄧一雪 | 編輯 圖1. 一種淡水海綿（Spongilla）的最新基因表達(dá)圖譜，揭示了這些原始動(dòng)物令人驚訝的細(xì)胞多樣性。| 來(lái)源：Allexxandar / Dreamstime.com 21世紀(jì)初，當(dāng)科學(xué)家為第一批海綿基因組測(cè)序時(shí)，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，海綿不僅擁有與人類和其它復(fù)雜生物大致相同數(shù)量的基因，而且許多基因是相同的。海綿是動(dòng)物生命演化樹上最早的分支譜系之一；它們的身體簡(jiǎn)單到?jīng)]有對(duì)稱的模式或者一套固定數(shù)量的部件。這些基因意味著，肌肉收縮和神經(jīng)元分化等功能的遺傳信息，比肌肉或神經(jīng)系統(tǒng)本身，要古老得多。但是這些基因在沒(méi)有神經(jīng)元或肌肉的動(dòng)物身上做什么呢？研究人員只能根據(jù)已有知識(shí)做出猜測(cè)，然后一個(gè)基因一個(gè)基因地研究它們的表達(dá)模式。然而近日，一項(xiàng)新的研究[1]利用快速發(fā)展的基因組技術(shù)，闡明了淡水海綿體內(nèi)大約26000個(gè)基因的表達(dá)情況。這個(gè)基因表達(dá)圖譜揭示了整個(gè)海綿體內(nèi)（包括一些以前從未描述過(guò)的）細(xì)胞類型的基因配置。該圖譜為“細(xì)胞類型最初是如何演化的”[2]提供了重要線索，并可能有助于解決“神經(jīng)元演化了一次還是多次”[3]這一長(zhǎng)期棘手的爭(zhēng)論。這項(xiàng)研究發(fā)表在2021年11月4日的《科學(xué)》雜志上。在丹佛大學(xué)研究海綿演化的 Scott Nichols 認(rèn)為，這篇雄心勃勃的論文比以前的工作有了“飛躍”。他說(shuō)：“非凡之處在于，從這組數(shù)據(jù)中涌現(xiàn)出了非常迷人的假說(shuō)。但我要著重強(qiáng)調(diào)，這些假說(shuō)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！?/span>2. 沒(méi)有神經(jīng)元，卻暗示神經(jīng)系統(tǒng)起源
最令人興奮的假說(shuō)是關(guān)于海綿消化腔內(nèi)的細(xì)胞。消化腔內(nèi)有獨(dú)特“鞭毛細(xì)胞”（choanocyte），有一圈手指狀的突起（微絨毛）和一個(gè)鞭毛。鞭毛細(xì)胞拍打它的鞭毛，來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)消化腔的水流，并以水中攜帶的小顆粒和碎屑為食。消化腔內(nèi)還包含移動(dòng)的“類神經(jīng)”細(xì)胞（neuroid cell），盡管這類細(xì)胞多年前就有描述，它們的身份和功能卻很神秘。圖2. 海綿體內(nèi)負(fù)責(zé)消化的 choanocyte 細(xì)胞。| 來(lái)源：Rohit Kumar Sengupta 利用高通量單細(xì)胞 RNA 測(cè)序技術(shù)，位于海德堡的歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的 Detlev Arendt 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：鞭毛細(xì)胞表達(dá)了一些基因，會(huì)在神經(jīng)元中產(chǎn)生突觸后“支架”，參與接受和響應(yīng)神經(jīng)遞質(zhì)。他們還發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)的類神經(jīng)細(xì)胞表達(dá)了一套通常在神經(jīng)元突觸前球部活躍的基因。因此，研究人員猜想，類神經(jīng)細(xì)胞可能與鞭毛細(xì)胞交談，其工作可能是巡邏消化腔內(nèi)的微生物環(huán)境，并據(jù)此調(diào)節(jié)鞭毛細(xì)胞的進(jìn)食行為。圖3. 海綿的消化腔里有鞭毛細(xì)胞，它們揮舞鞭毛，推動(dòng)水流通過(guò)消化腔，消化其中的小顆粒。| 來(lái)源：Caterina Longo, Bari University; source: doi.org/10.1371/journal.pone.0042392.g005 Arendt 實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的博士后 Jacob Musser 對(duì)海綿進(jìn)行染色，以觀察突觸前和突觸后基因的確切表達(dá)位置。他看到，表達(dá)突觸前基因的類神經(jīng)細(xì)胞確實(shí)靠近了表達(dá)突觸后基因的鞭毛細(xì)胞。事實(shí)上，類神經(jīng)細(xì)胞伸出了假肢臂，似乎接觸到了鞭毛細(xì)胞。Musser 說(shuō)：“這真的很神奇，但你很難說(shuō)清楚究竟是怎么回事?！?/span>為了更詳細(xì)地了解這些細(xì)胞在做什么，Musser 和他的團(tuán)隊(duì)在漢堡的X射線同步加速器中使用聚焦離子束電子顯微鏡，來(lái)獲得這些細(xì)胞的超高分辨率三維圖像，可以分辨出小到15納米的細(xì)胞特征，這差不多是許多折疊蛋白質(zhì)的大小。他們看到，來(lái)自類神經(jīng)細(xì)胞的突起包住了鞭毛細(xì)胞的微絨毛圈和鞭毛，而且類神經(jīng)細(xì)胞里有囊泡，就像神經(jīng)元突觸前球體里一樣。他們懷疑這些囊泡在釋放一種叫做谷氨酸的神經(jīng)遞質(zhì)。盡管“這些海綿有原始的突觸”這個(gè)想法很誘人，但研究人員從未觀察到類神經(jīng)細(xì)胞和鞭毛細(xì)胞之間直接、穩(wěn)定的接觸。相反，這些細(xì)胞之間的聯(lián)系似乎是短暫的。此外，海綿的DNA中缺乏一些用于產(chǎn)生動(dòng)作電位的關(guān)鍵離子通道的基因，而正是動(dòng)作電位這種尖銳的電信號(hào)刺激神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)。盡管證據(jù)不足，但由于人們一直認(rèn)為，海綿連接近神經(jīng)系統(tǒng)的東西都沒(méi)有，所以，海綿的細(xì)胞機(jī)制與神經(jīng)元有著深刻的演化關(guān)系這一線索，“是一條令人興奮的前進(jìn)道路，將海綿生物學(xué)和神經(jīng)細(xì)胞生物學(xué)聯(lián)系起來(lái)，以了解在動(dòng)物中神經(jīng)元信號(hào)傳遞到底從何而來(lái)?！盢ichols解釋道。圖4. 左：海綿消化腔中細(xì)胞的彩色照片顯示了一個(gè)類神經(jīng)細(xì)胞（品紅色）和一個(gè)鞭毛細(xì)胞（綠色）的相互作用。右：在放大的細(xì)節(jié)中，兩個(gè)細(xì)胞之間的瞬時(shí)接觸，可能暗示了神經(jīng)元之間的突觸接觸。| 來(lái)源：Quanta Magazine; source: Jacob Musser, Giulia Mizzon, Constantin Pape, Nicole Schieber / EMBL 3. 早期動(dòng)物演化： 當(dāng)多功能細(xì)胞開始承擔(dān)不同角色
神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)的起源——特別是神經(jīng)元是一次出現(xiàn)還是多次出現(xiàn)的問(wèn)題——是演化發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域最有爭(zhēng)議的話題之一，Maria Antonietta Tosches 表示。她之前在 Arendt 的實(shí)驗(yàn)室接受培訓(xùn)，現(xiàn)在在哥倫比亞大學(xué)研究脊椎動(dòng)物細(xì)胞類型演化。這項(xiàng)新研究的結(jié)果似乎能聯(lián)系到這一謎團(tuán)上，因?yàn)檠芯咳藛T發(fā)現(xiàn)：突觸前基因組在類神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)，突觸后基因在鞭毛細(xì)胞中表達(dá)。（這兩組基因在其它細(xì)胞類型中也很活躍。）這一事實(shí)表明，負(fù)責(zé)細(xì)胞之間通信系統(tǒng)發(fā)射與接收端的基因模塊，被部署在各種類型的祖先動(dòng)物細(xì)胞中。所以，Tosches 說(shuō)，神經(jīng)元可能是通過(guò)這些基因模塊的不同應(yīng)用，反復(fù)獨(dú)立演化出來(lái)的。事實(shí)上，海綿中大量的多功能細(xì)胞會(huì)表達(dá)一些基因模塊，它們通常與更復(fù)雜動(dòng)物（如脊椎動(dòng)物）體內(nèi)的專門細(xì)胞有關(guān)。例如，海綿的類神經(jīng)細(xì)胞不僅表達(dá)神經(jīng)元的一些突觸前機(jī)制，還表達(dá)免疫基因（如果類神經(jīng)細(xì)胞監(jiān)測(cè)海綿消化腔的微生物含量，這些免疫基因有可能協(xié)助該作用）。海綿也有松果細(xì)胞（pinacocytes），它們像肌肉細(xì)胞一樣一致地收縮，擠壓身體，排除廢物或者不需要的碎片；松果細(xì)胞有一些感覺(jué)機(jī)制，可以對(duì)一氧化氮（一種血管擴(kuò)張劑）做出反應(yīng)。Musser 說(shuō)：“一氧化氮是放松我們血管中平滑肌的東西。所以，我們的血管擴(kuò)張，是一氧化氮促進(jìn)放松的結(jié)果。而事實(shí)上，我們已經(jīng)通過(guò)論文中的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，一氧化氮也在調(diào)節(jié)這種海綿的收縮。”他猜想，一氧化氮可能像谷氨酸一樣，是早期信號(hào)機(jī)制的一部分，能協(xié)調(diào)海綿的原始行為。Musser 說(shuō)：“我們的數(shù)據(jù)與這一概念非常一致，即，在動(dòng)物演化早期，就存在大量重要的機(jī)制功能碎片。早期動(dòng)物演化的重要工作，是開始將這些功能碎片細(xì)分給不同細(xì)胞。但很可能這些最早的細(xì)胞類型是非常多功能的，必須做多種事情?！弊钤绲膭?dòng)物細(xì)胞，就像它們的近親原生動(dòng)物一樣，不得不成為細(xì)胞中的瑞士軍刀。隨著多細(xì)胞生物的演化，細(xì)胞開始承擔(dān)不同角色，這種分工可能導(dǎo)致了更加專門的細(xì)胞類型。但是不同譜系的動(dòng)物可能以不同的方式和程度進(jìn)行了分工。既然基因模塊的混合和匹配是早期動(dòng)物演化的一個(gè)關(guān)鍵主題，那么比較這些模塊在不同物種中的排列和表達(dá)，就可以告訴我們這些模塊的歷史，以及它們可以被隨意打亂的潛在限制。Arnau Sebé-Pedrós 是尋找這些答案的研究人員，他在巴塞羅那的基因組調(diào)節(jié)中心研究細(xì)胞類型的演化，并在2018年發(fā)表了第一份海綿動(dòng)物[4]、胎生動(dòng)物[5]和梳妝水母的細(xì)胞類型圖譜。Sebé-Pedrós 認(rèn)為，基因沿染色體的空間配置可能具有啟示意義，因?yàn)槲恢孟嘟幕蚩梢怨蚕碚{(diào)節(jié)機(jī)制。他說(shuō)：“我被動(dòng)物基因組中基因順序的穩(wěn)定程度深深震驚了。”他懷疑，基因組處于同一染色體的鄰近區(qū)域，是因?yàn)樗鼈冃枰餐{(diào)控功能。科學(xué)家們?nèi)匀惶幱诹私饧?xì)胞類型如何演變和相互聯(lián)系的早期階段。但是，與澄清動(dòng)物進(jìn)化的起源[6]一樣重要的是，海綿細(xì)胞圖譜為揭示動(dòng)物細(xì)胞生物學(xué)的可能性做出了重要貢獻(xiàn)。Sebé-Pedrós 說(shuō)：“對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，重要的不僅僅是理解動(dòng)物的起源，還有那些可能與我們對(duì)其它動(dòng)物已有知識(shí)截然不同的東西。”[1] Musser, J. M., Schippers, K. J., Nickel, M., Mizzon, G., Kohn, A. B., Pape, C., & Arendt, D. (2021). Profiling cellular diversity in sponges informs animal cell type and nervous system evolution. Science, 374(6568), 717-723. https://www./doi/10.1126/science.abj2949[2] https://www./scientists-debate-the-origin-of-cell-types-in-the-first-animals-20190717/[3] https://www./comb-jelly-neurons-spark-evolution-debate-20150325/[4] Sebé-Pedrós A, Chomsky E, Pang K, Lara-Astiaso D, Gaiti F, Mukamel Z, Amit I, Hejnol A, Degnan BM, Tanay A. Early metazoan cell type diversity and the evolution of multicellular gene regulation. Nature ecology & evolution. 2018 Jul;2(7):1176-88. https://www./articles/s41559-018-0575-6[5] https://www./worlds-simplest-animal-reveals-hidden-diversity-20180912/[6] https://www./sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/原文地址： https://www./sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/ 自生成結(jié)構(gòu)讀書會(huì)報(bào)名中 生命是有心（意識(shí)）的，但當(dāng)你一層層剝開生命的組織，卻只有心臟而沒(méi)有一顆“心靈”；打開大腦皮層看到一個(gè)個(gè)神經(jīng)元，卻看不到“意識(shí)”。然而，生命與意識(shí)都具有'自我生成'的能力，生命自發(fā)從非生命中生成，意識(shí)自發(fā)從生命中生成。更驚人的是，生命與意識(shí)的自我生成結(jié)構(gòu)似乎很相似。如果這個(gè)假設(shè)成立，那么最可能的備選結(jié)構(gòu)會(huì)是什么呢？ 為了更深入地認(rèn)識(shí)復(fù)雜活系統(tǒng)的自生成結(jié)構(gòu)，集智科學(xué)家小木球(仇瑋祎)聯(lián)合周理乾、王東、董達(dá)、劉宇、苑明理、傅渥成、章彥博等科學(xué)哲學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)和生物化學(xué)等學(xué)科的一線研究者共同發(fā)起組織《自生成結(jié)構(gòu)系列讀書會(huì)》。其中第一季《共識(shí)——自生成結(jié)構(gòu)與自復(fù)制自動(dòng)機(jī)的研究背景》，將自2021年11月20日開始，其后擬于每周五晚19:00-21:00線上舉行，預(yù)計(jì)持續(xù)12周。歡迎從事相關(guān)研究、對(duì)相關(guān)領(lǐng)域有濃厚興趣的探索者報(bào)名參與交流。
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