电子商务网站建设方案的总结,网站开发服务转包合同,如何在亚马逊上开网店,竞价托管推广来源#xff1a; 集智俱乐部作者#xff1a;Viviane Callier译者#xff1a;陈斯信 审校#xff1a;梁金 编辑#xff1a;邓一雪 导语海绵是动物生命演化树上最早的分支谱系之一#xff0c;它们身体构造简单#xff0c;却拥有许多与人类和其它复杂生物相同的基因。11月… 来源 集智俱乐部作者Viviane Callier译者陈斯信 审校梁金 编辑邓一雪 导语海绵是动物生命演化树上最早的分支谱系之一它们身体构造简单却拥有许多与人类和其它复杂生物相同的基因。11月4日Science 发表的一项最新研究发现在海绵的消化腔中类神经细胞会和消化细胞交流就像是一种原始的突触交流从而为神经系统的起源提供了线索。研究测定了海绵体内大约26000个基因的表达揭示了海绵细胞的复杂多样性以及神经系统、免疫系统和消化系统之间可能存在的古老联系。研究领域复杂生命起源神经系统基因表达图谱图1. 一种淡水海绵Spongilla的最新基因表达图谱揭示了这些原始动物令人惊讶的细胞多样性。| 来源Allexxandar / Dreamstime.com1. 简单的海绵复杂的基因21世纪初当科学家为第一批海绵基因组测序时他们惊讶地发现海绵不仅拥有与人类和其它复杂生物大致相同数量的基因而且许多基因是相同的。海绵是动物生命演化树上最早的分支谱系之一它们的身体简单到没有对称的模式或者一套固定数量的部件。这些基因意味着肌肉收缩和神经元分化等功能的遗传信息比肌肉或神经系统本身要古老得多。但是这些基因在没有神经元或肌肉的动物身上做什么呢研究人员只能根据已有知识做出猜测然后一个基因一个基因地研究它们的表达模式。然而近日一项新的研究[1]利用快速发展的基因组技术阐明了淡水海绵体内大约26000个基因的表达情况。这个基因表达图谱揭示了整个海绵体内包括一些以前从未描述过的细胞类型的基因配置。该图谱为“细胞类型最初是如何演化的”[2]提供了重要线索并可能有助于解决“神经元演化了一次还是多次”[3]这一长期棘手的争论。这项研究发表在2021年11月4日的《科学》杂志上。在丹佛大学研究海绵演化的 Scott Nichols 认为这篇雄心勃勃的论文比以前的工作有了“飞跃”。他说“非凡之处在于从这组数据中涌现出了非常迷人的假说。但我要着重强调这些假说需要通过实验验证。”2. 没有神经元却暗示神经系统起源最令人兴奋的假说是关于海绵消化腔内的细胞。消化腔内有独特“鞭毛细胞”choanocyte有一圈手指状的突起微绒毛和一个鞭毛。鞭毛细胞拍打它的鞭毛来调节通过消化腔的水流并以水中携带的小颗粒和碎屑为食。消化腔内还包含移动的“类神经”细胞neuroid cell尽管这类细胞多年前就有描述它们的身份和功能却很神秘。图2. 海绵体内负责消化的 choanocyte 细胞。| 来源Rohit Kumar Sengupta利用高通量单细胞 RNA 测序技术位于海德堡的欧洲分子生物学实验室的 Detlev Arendt 团队发现鞭毛细胞表达了一些基因会在神经元中产生突触后“支架”参与接受和响应神经递质。他们还发现移动的类神经细胞表达了一套通常在神经元突触前球部活跃的基因。因此研究人员猜想类神经细胞可能与鞭毛细胞交谈其工作可能是巡逻消化腔内的微生物环境并据此调节鞭毛细胞的进食行为。图3. 海绵的消化腔里有鞭毛细胞它们挥舞鞭毛推动水流通过消化腔消化其中的小颗粒。| 来源Caterina Longo, Bari University; source: doi.org/10.1371/journal.pone.0042392.g005Arendt 实验室领导该项目的博士后 Jacob Musser 对海绵进行染色以观察突触前和突触后基因的确切表达位置。他看到表达突触前基因的类神经细胞确实靠近了表达突触后基因的鞭毛细胞。事实上类神经细胞伸出了假肢臂似乎接触到了鞭毛细胞。Musser 说“这真的很神奇但你很难说清楚究竟是怎么回事。”为了更详细地了解这些细胞在做什么Musser 和他的团队在汉堡的X射线同步加速器中使用聚焦离子束电子显微镜来获得这些细胞的超高分辨率三维图像可以分辨出小到15纳米的细胞特征这差不多是许多折叠蛋白质的大小。他们看到来自类神经细胞的突起包住了鞭毛细胞的微绒毛圈和鞭毛而且类神经细胞里有囊泡就像神经元突触前球体里一样。他们怀疑这些囊泡在释放一种叫做谷氨酸的神经递质。尽管“这些海绵有原始的突触”这个想法很诱人但研究人员从未观察到类神经细胞和鞭毛细胞之间直接、稳定的接触。相反这些细胞之间的联系似乎是短暂的。此外海绵的DNA中缺乏一些用于产生动作电位的关键离子通道的基因而正是动作电位这种尖锐的电信号刺激神经元释放神经递质。尽管证据不足但由于人们一直认为海绵连接近神经系统的东西都没有所以海绵的细胞机制与神经元有着深刻的演化关系这一线索“是一条令人兴奋的前进道路将海绵生物学和神经细胞生物学联系起来以了解在动物中神经元信号传递到底从何而来。”Nichols解释道。图4. 左海绵消化腔中细胞的彩色照片显示了一个类神经细胞品红色和一个鞭毛细胞绿色的相互作用。右在放大的细节中两个细胞之间的瞬时接触可能暗示了神经元之间的突触接触。| 来源Quanta Magazine; source: Jacob Musser, Giulia Mizzon, Constantin Pape, Nicole Schieber / EMBL3. 早期动物演化当多功能细胞开始承担不同角色神经元和神经系统的起源——特别是神经元是一次出现还是多次出现的问题——是演化发育生物学领域最有争议的话题之一Maria Antonietta Tosches 表示。她之前在 Arendt 的实验室接受培训现在在哥伦比亚大学研究脊椎动物细胞类型演化。这项新研究的结果似乎能联系到这一谜团上因为研究人员发现突触前基因组在类神经细胞中表达突触后基因在鞭毛细胞中表达。这两组基因在其它细胞类型中也很活跃。这一事实表明负责细胞之间通信系统发射与接收端的基因模块被部署在各种类型的祖先动物细胞中。所以Tosches 说神经元可能是通过这些基因模块的不同应用反复独立演化出来的。事实上海绵中大量的多功能细胞会表达一些基因模块它们通常与更复杂动物如脊椎动物体内的专门细胞有关。例如海绵的类神经细胞不仅表达神经元的一些突触前机制还表达免疫基因如果类神经细胞监测海绵消化腔的微生物含量这些免疫基因有可能协助该作用。海绵也有松果细胞pinacocytes它们像肌肉细胞一样一致地收缩挤压身体排除废物或者不需要的碎片松果细胞有一些感觉机制可以对一氧化氮一种血管扩张剂做出反应。Musser 说“一氧化氮是放松我们血管中平滑肌的东西。所以我们的血管扩张是一氧化氮促进放松的结果。而事实上我们已经通过论文中的实验说明一氧化氮也在调节这种海绵的收缩。”他猜想一氧化氮可能像谷氨酸一样是早期信号机制的一部分能协调海绵的原始行为。Musser 说“我们的数据与这一概念非常一致即在动物演化早期就存在大量重要的机制功能碎片。早期动物演化的重要工作是开始将这些功能碎片细分给不同细胞。但很可能这些最早的细胞类型是非常多功能的必须做多种事情。”最早的动物细胞就像它们的近亲原生动物一样不得不成为细胞中的瑞士军刀。随着多细胞生物的演化细胞开始承担不同角色这种分工可能导致了更加专门的细胞类型。但是不同谱系的动物可能以不同的方式和程度进行了分工。既然基因模块的混合和匹配是早期动物演化的一个关键主题那么比较这些模块在不同物种中的排列和表达就可以告诉我们这些模块的历史以及它们可以被随意打乱的潜在限制。Arnau Sebé-Pedrós 是寻找这些答案的研究人员他在巴塞罗那的基因组调节中心研究细胞类型的演化并在2018年发表了第一份海绵动物[4]、胎生动物[5]和梳妆水母的细胞类型图谱。Sebé-Pedrós 认为基因沿染色体的空间配置可能具有启示意义因为位置相近的基因可以共享调节机制。他说“我被动物基因组中基因顺序的稳定程度深深震惊了。”他怀疑基因组处于同一染色体的邻近区域是因为它们需要共同调控功能。科学家们仍然处于了解细胞类型如何演变和相互联系的早期阶段。但是与澄清动物进化的起源[6]一样重要的是海绵细胞图谱为揭示动物细胞生物学的可能性做出了重要贡献。Sebé-Pedrós 说“对于我们来说重要的不仅仅是理解动物的起源还有那些可能与我们对其它动物已有知识截然不同的东西。”参考文献[1] Musser, J. M., Schippers, K. J., Nickel, M., Mizzon, G., Kohn, A. B., Pape, C., Arendt, D. (2021). Profiling cellular diversity in sponges informs animal cell type and nervous system evolution. Science, 374(6568), 717-723. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2949[2] https://www.quantamagazine.org/scientists-debate-the-origin-of-cell-types-in-the-first-animals-20190717/[3] https://www.quantamagazine.org/comb-jelly-neurons-spark-evolution-debate-20150325/[4] Sebé-Pedrós A, Chomsky E, Pang K, Lara-Astiaso D, Gaiti F, Mukamel Z, Amit I, Hejnol A, Degnan BM, Tanay A. Early metazoan cell type diversity and the evolution of multicellular gene regulation. Nature ecology evolution. 2018 Jul;2(7):1176-88. https://www.nature.com/articles/s41559-018-0575-6[5] https://www.quantamagazine.org/worlds-simplest-animal-reveals-hidden-diversity-20180912/[6] https://www.quantamagazine.org/sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/原文地址https://www.quantamagazine.org/sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/ 未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市大脑研究计划构建互联网城市大脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。每日推荐范围未来科技发展趋势的学习型文章。目前线上平台已收藏上千篇精华前沿科技文章和报告。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
