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Nature Portfolio 2021-12-08

“海绵宝宝”的细胞里藏着神经系统起源的秘密

原文作者:Max Kozlov

突触基因促进海绵消化腔内细胞通信。

海绵结构简单,却是滤食专家,每天从流过身体的上万升水中摄取食物。这套复杂滤食行为已然需要大师级的技艺,更令人震撼的是它们没有脑,甚至没有一个真正的神经元。

11 月 4 日发表在《科学》上的研究表明,海绵动物利用一种复杂的细胞通讯系统控制摄食,并可能藉此消灭入侵细菌 [ 1 ] 。Casey Dunn 说,这一发现可能有助于理解动物神经系统的进化过程。Dunn 是耶鲁大学的进化生物学家,研究海洋无脊椎动物。" 这个研究真的振奋人心,让我们从一个新角度看待海绵动物," 他说。

淡水针海绵(Spongilla lacustris)身上可能存有神经系统进化的秘密。来源:Willem Kolvoort/Nature Picture Library

细胞间常常相互交流。神经元间的交流方式,则依靠细小、针对性连接的结构(称为突触)传递电信号或化学信号。既往研究 [ 2 ] 发现,即便海绵动物没有神经元,仍带有编码促突触功能的典型蛋白基因。

Detlev Arendt 是欧洲分子生物学实验室(EMBL)的进化生物学家。为了找到表达上述基因的细胞,他的团队给淡水针海绵(Spongilla lacustris)的多个单细胞进行了 RNA 测序。

他们发现,海绵动物有 18 种不同细胞类型。突触基因活跃表达的几种细胞类型,聚集在海绵消化腔周围。这一现象提示,细胞通讯的某种形式,可能配合着海绵的滤食行为。

研究人员随后用 X 线成像和电子显微镜研究其中一种细胞类型,他们称之为分泌型类神经元细胞。扫描结果显示,类神经元细胞会发出长长的侧枝到达领细胞(choanocytes),而领细胞这类细胞有毛状突出结构,能驱动海绵的水流系统并摄取大部分食物。

电子显微镜显示,类神经元细胞(紫色和红色)可以伸出侧枝与消化细胞(蓝色、绿色和黄色)交流。

神经系统前体

这两种细胞彼此接近,且基因表达结果支持化学物分泌,结合这两点,研究人员推测,那些侧枝能让类神经元细胞与领细胞交流起来,所以领细胞就可能暂停水流系统、清除碎屑、消灭外来微生物。但是,这些类神经元细胞并不是神经,而且也没有迹象表明存在突触能让神经元快速通信。然而,这种细胞可能表现了真神经系统某种进化上的前体,Jacob Musser 说。他是 EMBL 的进化生物学家,也是此研究的合作者。" 我们现在在某个中间位置,就是有了所有这些独立的拼图,也知道要在更广意义上将其整合,但还缺了构成迅速的突触所必须的那些相互连接," 他说。

某些科学家认为,把这些细胞称为神经系统前体有点过头。" 这很诱人,但并非盖棺定论," Linda Holland 说。她是加州大学圣迭戈分校的进化发育生物学家。她说,很难证明神经系统是不是起源于这个细胞通信系统,还是起源时间更早,亦或是像某些团队提出的发生过多次起源。加拿大阿尔伯塔大学的海洋生物学家 Sally Leys 说,实际上很多其他微生物,包括单细胞真核生物 [ 3 ] ,都带有相同的突触基因。

April Hill 是美国贝茨学院(Bates College)的发育遗传学家。她希望科学家能借鉴这个研究及其中的方法,视其为一块 " 启动板 ",以便未来对这种常见海绵作进一步研究。她补充说,别的海绵是不是使用相似的细胞通讯系统,这个关键问题尚未得到解答。

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