改写神经系统关键组成部分的进化史

一项新研究改写了某些对神经系统电信号传导至关重要的蛋白质的传统进化史。这项由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的研究显示，经过深入研究的蛋白质家族 — Shaker 家族中的钾离子通道 — 早在所有动物的共同祖先出现之前就存在于微观单细胞生物中。这表明，这些离子通道并非像以前认为的那样与神经系统一起进化，而是在神经系统起源之前就已存在。

该研究发表在《国家科学院院刊》上。

“我们倾向于认为进化是朝着越来越复杂的方向发展的单向进程，但自然界往往并非如此，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院生物学副教授、研究小组负责人蒂莫西·杰格拉 (Timothy Jegla) 说道。“例如，人们认为随着不同种类的动物进化，神经系统变得越来越复杂，离子通道也随之出现并多样化以适应这种复杂性。但我们的研究表明事实并非如此。我们之前已经表明，现存最古老的动物，即那些拥有简单神经网络的动物，离子通道多样性最高。这一新发现进一步表明，神经系统的许多组成部分早在我们的原生动物祖先中就已经存在——甚至在神经系统出现之前。”

离子通道位于细胞膜上，调节带电粒子(称为离子)进出细胞的方式，这一过程会产生电信号，而电信号是神经系统通讯的基础。Shaker 离子通道家族存在于从人类到小鼠和果蝇等多种动物中，它专门调节钾离子如何流出细胞以终止称为动作电位的电信号。这些通道可以根据电场的变化打开或关闭，就像计算机芯片中的晶体管一样。

“我们对离子通道在分子水平上如何工作的了解，大部分来自对 Shaker 离子通道家族的机制研究，”Jegla 说。“我们以前认为 Shaker 电压门控钾通道家族只存在于动物中，但现在我们发现，编码该离子通道家族的基因存在于动物现存最亲近的几种物种中，即一群名为领鞭毛虫的单细胞生物。”

研究人员此前曾在两种领鞭毛虫中寻找过这些基因，但未能找到。在目前的研究中，他们将搜索范围扩大到 21 种领鞭毛虫，并在其中三种物种中发现了 Shaker 家族基因的证据。

Shaker 家族中存在几种离子通道亚家族或类型，它们存在于整个动物界。研究小组此前发现，栉水母(一种具有相对简单的“神经网络”的动物，被认为与最早的动物神经系统相似)只具有其中一种类型，称为 Kv1。这使得研究小组相信，动物的共同祖先可能只有 Kv1，其他类型后来才进化出来。然而，Jegla 及其同事发现，领鞭毛虫中的 Shaker 家族基因与 Kv2、Kv3 和 Kv4 类型更密切相关。

Jegla 表示：“我们原以为 2 至 4 型是在较近的时间线上进化的，但我们的新研究表明，在领鞭毛虫中发现的 Kv2-4 样通道实际上是最古老的亚型。”

此外，这一发现表明，在动物家族树的底部存在多个亚型，包括在栉水母中发现的 Kv1 和在领鞭毛虫中发现的 Kv2-4 样通道。

“Kv2-4 类基因在最早的动物群体(如栉水母和海绵)的现存后代中丢失了，因此我们知道它们存在于最早的动物中的唯一原因是领鞭毛虫，”Jegla 补充道。“基因丢失在进化过程中非常常见——与新基因的进化一样常见——尽管很难检测到。现在基因测序已经足够便宜，科学家可以广泛地对物种进行采样，而不是只观察少数代表性物种，我们可以检测到更多此类基因丢失，这将改变我们对我们自己的基因家族最初进化方式的看法。”

杰格拉指出，这项研究还进一步证明，神经系统的许多元素在整个神经系统进化之前就已经存在。

“我们在电信号传导中使用的大多数功能重要的蛋白质都是基于动物出现之前就存在的蛋白质，这些蛋白质是神经元通讯和神经肌肉运动的基础，”杰格拉说。“似乎动物能够在进化的早期就拼凑出一个功能齐全的神经系统，只是因为大多数必要的蛋白质已经存在。”

Jegla 补充说，了解这些离子通道如何进化有助于我们了解它们的功能，这反过来可能对治疗与离子通道功能障碍相关的疾病(如心律失常和癫痫)产生影响。

除了杰格拉，研究团队还包括宾州州立大学哈克生命科学研究所和埃伯利科学学院分子、细胞和整合生物科学项目的研究生本杰明·西蒙森 (Benjamin Simonson)，他最近完成了论文答辩;还有滑铁卢大学生物学副教授大卫·斯帕福德 (David Spafford)，他专门研究领鞭毛虫生理学。宾夕法尼亚州立大学生物系和哈克生命科学研究所为这项研究提供了资金支持。