【Science】单细胞测序——在无脑的海绵的基因组中找到神经细胞如何进化的线索！

海绵是很原始的生物，没有神经系统和内部器官。就像你水槽边的那些，大多数都温顺地躺在海底，一动不动。他们缺乏肌肉、肺或鳃、肠道和明显的神经细胞，吃任何漂浮来的营养物质。然而，一项新的研究表明，它们的细胞有一个出人意料的类似神经细胞的特征：它和与其相互作用的细胞具有一些与神经细胞相同的工作基因。这两种细胞可能共同协调进食，就像我们复杂的大脑为我们做的那样。尽管如此，一些海绵生物学家仍质疑这一突出的神经样细胞是否是所声称的那样。

近日，一篇名为“Sponge innards suggest how nerve cells evolved”的文章发表在《Science》上。

如果这项研究坚持下去，“这将对理解动物神经系统的起源具有巨大的意义，”丹佛大学的进化生物学家Scott Nichols说，他没有参与这项研究。

神经细胞具有特殊的特性，可以让它们以闪电般的速度进行交流。每一个神经元都有一个中心体和与其他细胞相连的长过程，在神经网络中的每个神经元之间形成称为突触的连接。当受到刺激时，神经细胞会向其进程发送电脉冲，并释放一种称为神经递质的化学物质，这些化学物质通过间隙传递到下一个神经元。神经递质激活接收细胞中的蛋白质，并可以启动另一个电信号。为了理解如此复杂的细胞间通讯系统最初是如何进化的，研究人员越来越多地转向像海绵这样在生命进化早期出现的动物，来寻找线索。研究表明，尽管海绵缺少神经细胞，但它们具有一些与更聪明的生物相同的特殊突触基因。

然而，考虑到海绵奇特的结构，确定海绵如何利用这些基因并非易事。海绵由一个相互连接的网络组成，其中包括排列着具有鞭状突起的特殊消化细胞的小消化腔。鞭子同步跳动，将水拉过细胞网状，捕捉微小颗粒，甚至漂浮的DNA，作为食物。欧洲分子生物学实验室的进化生物学家Detlev Arendt说：“它们独特的体型使得它们很难与其他动物进行比较。”

为了了解更多信息，他、EMBL进化生物学家Jacob Musser和他们的同事采用了一种称为单细胞测序的技术来评估每个细胞中的mRNA，该技术提供了任何活性基因的代表。尽管有机体中的大多数细胞具有相同的基因集，但每种细胞类型都激活一个独特的子集。通过识别活性基因组，科学家可以对细胞类型进行分类，并了解它们是如何进化的。

Musser和他的同事将整个湖沼海绵分离成单个细胞，将每个细胞分成一个小液滴，并标记要测序的mRNA。他们开发了一种荧光标记活性基因的技术，这样他们就可以准确地看到每个基因的使用位置。埃德蒙顿艾伯塔大学的海绵生物学家Sally Leys说，他们的方法“对于理解海绵细胞生物学可能是一种革命性的改变”，但他没有参与这项研究。

在《Science》杂志上，Musser、Arendt和他们的国际合作团队报告说，他们区分了18种海绵细胞，包括一些类似于人类和更复杂动物的特殊细胞。其中一种具有类似于更复杂动物肌肉的基因活性，这些细胞帮助海绵扩张和收缩。

该团队也将注意力放在了细胞问题上，这些细胞使他们陷入了海绵的争论之中。这些细胞最初被称为神经样细胞，也被称为中枢细胞。几十年来，只有少数海绵研究团队报道过这些细胞。它们的数量似乎很少，在海绵的消化腔中间爬行。

Musser、Arendt和他们的同事报告说，他们发现了一些神经样细胞，并记录了它们与向另一个神经细胞发送信号的突触侧有共同的活性基因。科学家们指出，在神经样细胞的旁边是消化细胞，消化细胞的活跃基因包括那些在突触接收细胞中典型表达的基因。Musser说：“这是一个令人兴奋的发现，因为它向我们暗示，第一批动物的神经系统可能已经进化到调节进食或监测环境中的微生物。”

为了观察这两种细胞类型是否真的相互作用，他和他的同事开发了一种新的方法，利用同步加速器产生的x射线来观察整个海绵。然后，当他们放大消化腔，用电子显微镜观察类神经细胞及其周围环境的三维图像时，他们发现类神经细胞有许多充满化学物质的气泡，形成手臂，伸出并包裹消化细胞的进食环，也许传递的化学物质会改变消化细胞的行为。

这让人联想起交流神经细胞，并暗示神经样细胞和消化细胞可能是构成突触两侧的细胞的祖先。“对于神经元来说，探戈通常需要两个细胞，一个细胞发送信号，一个细胞接收信号，”Arendt说。研究团队怀疑，最早的这种细胞配对可能发生在更简单的动物祖先的外表面。在后来超越海绵的进化过程中，这两个组合将接触点缩小到现代突触的小间隙，并采用了电信号。

Nichols说，如果这个研究团队是正确的，海绵确实能将其细胞行为与类似神经元的信号相协调，“这肯定会打破我们关于海绵缺乏神经元相关细胞类型的先入之见。”但他警告说，到目前为止的证据是揭示性的，而不是决定性的。

Leys和圣卢西亚昆士兰大学的海洋生物学家Bernard Degnan，也希望更多的证据证明他们是海绵生物学家，他们在寻找神经细胞，但没有在动物身上看到它们，所以他们不确定Musser和他的同事们到底在干什么。

尽管如此，即使神经系统进化的故事不成立，Degnan称这项研究是识别关键细胞类型的力作，这将有助于理解和欣赏海绵。康奈尔大学的综合生物学家莱Leslie Babonis对此表示赞同，她说：“任何一个浮潜者都会被吹走，因为他们刚刚漂过的粘糊糊的垫子实际上是一种由至少18种独特细胞类型组成的动物！”（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

1.https://www.science.org/content/article/sponge-innards-suggest-how-nerve-cells-evolved

2.https://www.nature.com/articles/d41586-021-03015-2 

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。