“海绵宝宝”的细胞里藏着神经系统起源的秘密

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“海绵宝宝”的细胞里藏着神经系统起源的秘密

Original Nature Portfolio Nature Portfolio  2021-12-08 12:40

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。

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。

参考文献：

1. Musser, J. et al. Science https://doi.org/10.1126/science.abj2949 (2021).

2. Srivastava, M. et al. Nature 466, 720–726 (2010).

3. Burkhardt, P. & Sprecher, S. G. BioEssays 39, 1700024 (2017).

原文以Sponge cells hint at origins of nervous system为标题发表在2021年11月5日《自然》的新闻版块上