Sci:神经系统演化的关键，藏无脑生物之中？ 海绵 18种胞

顾汉现

神经系统演化的关键，藏在这种无脑生物之中？

18种海绵细胞  18种胞

神经现实

2022/01/13

论文一
论文二
论文标题：Profiling cellular diversity in sponges informs animal cell type and nervous system evolution
作者：Jacob M. Musser, Klaske J. Schippers, Michael Nickel, Giulia Mizzon, Andrea B. Kohn, Constantin Pape, Paolo Ronchi, Nikolaos Papadopoulos, Alexander J. Tarashansky, Jörg U. Hammel, Florian Wolf, Cong Liang, Ana Hernández-Plaza, Carlos P. Cantalapiedra, Kaia Achim, Nicole L. Schieber, Leslie Pan, Fabian Ruperti, Warren R. Francis, Sergio Vargas, Svenja Kling, Maike Renkert, Maxim Polikarpov, Gleb Bourenkov, Roberto Feuda, Imre Gaspar, Pawel Burkhardt, Bo Wang, Peer Bork, Martin Beck, Thomas R. Schneider, Anna Kreshuk, Gert Wörheide, Jaime Huerta-Cepas, Yannick Schwab, Leonid L. Moroz, Detlev Arendt

期刊：Science
发表时间：2021/11/05
数字识别码：10.1126/science.abj2949
摘要：The evolutionary origin of metazoan cell types such as neurons and muscles is not known. Using whole-body single-cell RNA sequencing in a sponge, an animal without nervous system and musculature, we identified 18 distinct cell types. These include nitric oxide–sensitive contractile pinacocytes, amoeboid phagocytes, and secretory neuroid cells that reside in close contact with digestive choanocytes that express scaffolding and receptor proteins. Visualizing neuroid cells by correlative x-ray and electron microscopy revealed secretory vesicles and cellular projections enwrapping choanocyte microvilli and cilia. Our data show a communication system that is organized around sponge digestive chambers, using conserved modules that became incorporated into the pre- and postsynapse in the nervous systems of other animals.

所属学科：
生物



海绵很难称得上是动物。就像在你家水槽旁边的那块一样，大多数海绵在海底静静地躺着。他们没有肌肉、肺、腮、或肠，当然也没有神经细胞；有什么营养物质经过，他们便吃一点。然而，一项定义海绵细胞特征的研究却发现，海绵有种细胞出奇地像神经细胞：这类细胞连同与其相互作用的细胞有着和神经细胞一样的一些基因。就像我们复杂的大脑让我们能够进食——这两种细胞很可能也会共同作用来协调进食。不过，有一些海绵生物学家仍在质疑那些类神经细胞是否确有其事。

丹佛大学的演化发展生物学家斯科特·尼柯尔斯（Scott Nichols）没有参与这项工作，但他说，如果这一发现站得住脚，“这将会对我们理解动物神经系统的起源大有裨益。”



神经细胞的一些特质让它们能以极快的速度传递信息。神经元不光有在中央的细胞体，还有负责与其他细胞联系的较长的突起（neuron processes），由此产生了整个网络中各个神经元之间的连接——突触。当神经元受到刺激时，电脉冲会沿着神经元的突起传输，并释放化学物质——神经递质，而神经递质会穿过神经元之间的空隙到达下一个神经元。神经递质会激活接收细胞中的蛋白质，然后启动下一轮电信号的传送。这一细胞间的交流系统相当复杂，于是，为理解它起初是如何演化出来的，越来越多的研究者转而从海绵等地球生命演化初期就出现的动物身上找寻线索。研究显示，尽管海绵没有神经细胞，却有着更智慧的动物才有的突触特异性基因。




在海绵的孔隙深处有一些腔室，最新发现其中的消化细胞（粉红色）可以激活一种基因（紫色），这种基因在其他有机体的神经细胞中是活跃的。

Jacob Musser，Leslie Pan，Fabian Rupert And Sebastian Schnorrenberg/EMBL



然而，由于海绵的构造十分奇特，想要确定海绵是怎么用上那些基因的并不是件容易事。海绵互相交错的水沟（canal）网络中包括小消化腔，其中特定的消化细胞则有着鞭状投射（whip-like projection）。各消化细胞的鞭毛同时拍打，将水流收进该细胞中像网一样的环状结构（collar）中，以此捕食水中的微小颗粒甚至是漂浮的DNA。欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory）的演化生物学家德特勒夫·阿伦特（Detlev Arendt）说，“由于海绵独特的身体结构，我们很难将它们和其他动物进行比较。”



为更深入地进行研究，欧洲分子生物学实验室的演化生物学家雅各·马瑟（Jacob Musser）和同事使用了一项名为单细胞测序（single-cell sequencing）的技术来评估每个细胞中的信使RNA（mRNA，能够表征所有活跃的基因）。其实，尽管一个生物体中的大部分细胞都有相同的一套基因，不同种类的细胞还是会激活独特的一小部分基因。因此，科学家们通过辨识出细胞中活跃的基因便可以分辨细胞种类并理解它们是如何演化的。



马瑟和同事从完整的Spongilla lacustris海绵中分离出单独的细胞，将每类细胞放进同一液滴中，并标记了要测序的mRNA。他们开发了一项技术来荧光标记活跃的基因，这样就能清楚地看到哪个细胞中用到了哪些基因。加拿大埃德蒙顿的艾伯塔大学的海绵生物学家萨莉·利斯（Sally Leys）虽没有参与到这项工作中，却评价道：“他们的方法对于理解海绵细胞的生物学基础来说是革命性的。”



在11月4日的《科学》杂志中，马瑟、阿伦特和他们的国际团队报告了不同的18种海绵细胞，其中一些和人类及其他复杂生物的特化细胞十分相似。比如，有一类帮助海绵细胞伸展和收缩的细胞的基因活动就接近于复杂动物的肌肉。



论文链接：

Musser, Jacob M., et al. "rofiling cellular diversity in sponges informs animal cell type and nervous system evolution." Science 374.6568 (2021): 717-723.



该团队还关注了另一类细胞——这把他们推向了一个“海绵争议”的风口浪尖。这类细胞起初被称为神经样细胞（neuroid cell），也被叫作中央细胞（central cell），而在过去的几十年内，仅有少数海绵研究团队曾报告过这类细胞的存在——它们处在海绵的消化腔中央，似乎数量极小。



马瑟、阿伦特和同事们的报告中提到，他们找到了一些神经样细胞，并证明了这些细胞有一些和神经元的突触前端一样的活跃基因。他们发现，神经样细胞旁边的消化细胞则有着突触后细胞所表达的活跃基因。马瑟说，“这是一项令人兴奋的发现，因为它向我们表明动物最先的神经系统可能是因调节进食或者监测环境中微生物的需求而演化出来的。”



为了验证这两种细胞是否真的相互影响，马瑟和同事开发了一项成像技术，通过同步加速器（synchrotron）中产生的X射线观察完整的海绵。当他们重点关注消化腔，用电子显微镜观察神经样细胞及其周围细胞的三维图像时，他们发现神经样细胞有许多充满化学物质的囊泡，并且该细胞能形成“手臂”伸向消化细胞的环状绒毛结构并将其环绕，这或许是在通过传递化学物质来改变消化细胞的行为。



这让人想起神经细胞之间的交流，也表明神经样细胞和消化细胞或许分别就是突触两端细胞的鼻祖。阿伦特解释道，“神经元的工作总仰仗于两个神经细胞之间的共同作用，一个发送信号，另一个则负责接收。”他们的团队猜测，像这样的细胞间配对最早可能发生在甚至更简单生物的外层进食表面上。在海绵以后的演化历史中，那些配对的细胞将它们交流的节点缩小到了突触间隙的距离，并最终采用了电信号传导的方式。



尼柯尔斯认为，如果他们是正确的，也就是说如果海绵细胞行为的调节的确使用了类似神经元间交流的模式，“这必将打破我们之前的理解，也就是‘海绵没有神经元相关细胞种类’的先入之见。”但他也告诫人们，目前这些证据是提示性而非决定性的。



利斯和圣卢西亚的昆士兰大学海洋生物学家伯纳德·迪克南（Bernard Degnan）也希望看到更多证据——同样作为海绵生物学家，他们却对海绵中的神经样细胞寻而不得，因此并不能确定马瑟和他的同事发现的东西实际上为何物。

不过，就算这一神经系统演化的故事经不住考验，迪克南还是将这项研究视为杰作，因为它辨别出的细胞种类对于我们对海绵的总体理解至关重要。康奈尔大学的整合生物学家莱丝莉·巴博尼斯（Leslie Babonis）表示赞同。她说，“如果浮潜的人知道他们刚刚经过的那块‘黏滑的垫子’其实是由至少18种独特的细胞种类组成的动物，他们一定会大为震撼！”



作者：Elizabeth Pennisi | 封面：Aaron Campbell ✒ ☁

译者：M.W. | 校对：Orange Soda

编辑：Orange Soda  | 排版：呦呦呦尤

原文：

https://www.science.org/content/ ... nerve-cells-evolved


“神经现实”（neureality）

文章标签
海绵
神经细胞
突触
单细胞测序
基因
神经样细胞
中央细胞

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2949

https://www.science.org/doi/10.1126/science.325_24

https://www.linkresearcher.com/t ... 6-80d2-960928389359



华成旅行社  欢迎来电咨询：

电话：03-3833-9823  / 03-5688-1863
FAX ：03-3833-9873  / 03-3834-5891

SOFTBANK电话：080-3416-2275   担当：小郭  微信号：08034162275
SOFTBANK电话：090-2172-4325   担当：小于  微信号：TYOSCL4325
SOFTBANK电话：080-3398-4387   担当：小李  微信号：huacheng4387
SOFTBANK电话：080-3523-4388   担当：小何  微信号：huacheng602
SOFTBANK电话：080-3084-4389   担当：小马  微信号：huacheng858

http://www.kaseisyoji.com/forum.php?mod=forumdisplay&fid=10