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神經(jīng)細(xì)胞是除海綿和扁盤動(dòng)物以外的所有動(dòng)物神經(jīng)組織的主要組成部分?？茖W(xué)家認(rèn)為產(chǎn)生電信號(hào)的能力最早出現(xiàn)在 7 億年前，而在最新的研究中，科學(xué)家通過(guò)對(duì)扁盤動(dòng)物進(jìn)行“細(xì)胞普查”，發(fā)現(xiàn)這種起源于 8 億年前的動(dòng)物體內(nèi)的肽能細(xì)胞可能就是神經(jīng)細(xì)胞的前身。
文 | 聞靜
神經(jīng)細(xì)胞是特殊的細(xì)胞，具有一些其他所有真核細(xì)胞共有的結(jié)構(gòu)，例如細(xì)胞體、細(xì)胞核、光滑粗糙的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體和其他細(xì)胞成分。此外，神經(jīng)細(xì)胞還有一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，如樹(shù)突和單個(gè)軸突。神經(jīng)細(xì)胞通過(guò)突觸與其他細(xì)胞進(jìn)行通信，通常使用微量化學(xué)神經(jīng)遞質(zhì)等將電信號(hào)從突觸前神經(jīng)元通過(guò)突觸間隙傳遞到靶細(xì)胞。
神經(jīng)細(xì)胞的多樣性及其起源一直是發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)的核心問(wèn)題之一。近日，發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell）的一篇文章顯示，扁盤動(dòng)物身體中的多種肽能細(xì)胞可能是神經(jīng)細(xì)胞的前身。這些肽能細(xì)胞獲得了新的基因模塊，能夠產(chǎn)生快速電信號(hào)，而產(chǎn)生電信號(hào)的能力是神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化的關(guān)鍵一步。
繪制扁盤動(dòng)物的細(xì)胞圖譜
大多數(shù)動(dòng)物都是兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物，除了海綿、桎水母、扁盤動(dòng)物和刺胞動(dòng)物。其中，扁盤動(dòng)物是一種沒(méi)有組織和器官、更沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)的多細(xì)胞動(dòng)物，形狀、大小、運(yùn)動(dòng)方式都神似變形蟲(chóng)，因此，又被稱為多細(xì)胞變形蟲(chóng)。扁盤動(dòng)物被認(rèn)為是地球上最簡(jiǎn)單的動(dòng)物。
在新研究中，科學(xué)家主要分析了 4 種扁盤動(dòng)物，利用前沿的高通量染色質(zhì)分析和單細(xì)胞基因組學(xué)技術(shù)，并結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算方法，繪制出了扁盤動(dòng)物的細(xì)胞圖譜。在新圖譜中，科學(xué)家根據(jù)基因表達(dá)的特征，詳細(xì)標(biāo)注出了四種扁盤動(dòng)物的所有細(xì)胞類型，每種類型有什么作用，以及這些細(xì)胞之間如何協(xié)同工作。
此前的研究顯示，組成扁盤動(dòng)物的幾千個(gè)細(xì)胞，按照形態(tài)可主要分為 9 種類型，但是，新圖譜顯示，在 9 種主要細(xì)胞類型之外，還有許多“中間類型”的細(xì)胞，這些細(xì)胞維持著不同類型的細(xì)胞在生長(zhǎng)、分裂、分化中保持平衡。
值得注意的是，還有一些既不是 9 種主要類型的細(xì)胞、也不屬于中間類型的特殊細(xì)胞。這些細(xì)胞能分泌出小片段的肽，研究人員稱之為“肽能細(xì)胞”（peptidergic cell）。在新研究中，科學(xué)家一共找到了 14 種不同的肽能細(xì)胞。
肽能細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞的相似之處
遺傳學(xué)分析和顯微鏡篩選顯示，這些肽能細(xì)胞的行為和神經(jīng)細(xì)胞類似，可以通過(guò)釋放肽信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)扁盤動(dòng)物的行為。扁盤動(dòng)物細(xì)胞之間的相互交流利用了一套特殊的蛋白：GPCR（G 蛋白偶聯(lián)受體）——GPCR 檢測(cè)到細(xì)胞外的信號(hào)分子后，便在細(xì)胞內(nèi)啟動(dòng)一系列反應(yīng)。肽能細(xì)胞表達(dá)的神經(jīng)肽便可作為激活 GPCR 的外部信號(hào)。
另外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)肽能細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞在其他方面也具備相似之處。一是這些細(xì)胞的分化過(guò)程，包括接收到的發(fā)育信號(hào)，與新生神經(jīng)元的形成過(guò)程十分相似。
二是，肽能細(xì)胞成套表達(dá)的許多基因，或者稱基因模塊，是神經(jīng)元突觸前（pre-synaptic）結(jié)構(gòu)所必需的。突觸是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸節(jié)點(diǎn)，突觸前構(gòu)成了信息輸出端，突觸后則是信息輸入端。扁盤動(dòng)物的細(xì)胞缺少突觸后的組件，但肽能細(xì)胞已經(jīng)初具突觸前的雛形。
神經(jīng)系統(tǒng)是多樣性發(fā)展的嗎？
先前的研究顯示，現(xiàn)代神經(jīng)細(xì)胞起源于 6.5 億年前的櫛水母（與扁盤動(dòng)物同為費(fèi)兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物）。“櫛水母有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與我們自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)鍵的區(qū)別和相似之處?！蔽恼碌淖髡咧?Xavier Grau-Bové 說(shuō)。
而神經(jīng)細(xì)胞與肽能細(xì)胞的相似之處也讓科學(xué)家們震驚?！氨獗P動(dòng)物的肽能細(xì)胞與原始神經(jīng)細(xì)胞有許多相似的地方，盡管兩者還不一樣。我們仿佛看到了演化長(zhǎng)途的一個(gè)中間過(guò)程?！蔽恼碌淖髡咧?Sebastián R. Najle 說(shuō)。
科學(xué)家猜測(cè)，神經(jīng)細(xì)胞的“祖先”可能與如今扁盤動(dòng)物分泌肽段的肽能細(xì)胞十分相像，它們利用神經(jīng)肽交流，后來(lái)具備了創(chuàng)建突觸后結(jié)構(gòu)的新基因模塊，形成了軸突和樹(shù)突的結(jié)構(gòu)，還裝備了可以快速產(chǎn)生電信號(hào)的離子通道，最終誕生了現(xiàn)在的神經(jīng)細(xì)胞 —— 為人類引以為傲的大腦奠定基礎(chǔ)。
“神經(jīng)細(xì)胞是經(jīng)歷了一種演化過(guò)程，然后分化，還是并行地進(jìn)行了不止一種的演化過(guò)程？還是說(shuō)，不同動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)有不同的起源？這些都是懸而未決的問(wèn)題，仍有待解決。”Xavier Grau-Bové 說(shuō)。
參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.027
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