研究发现脑信号蛋白比动物本身更早进化

英国埃克塞特大学的一个研究小组最近的发现使人们对多早的问题有了明显的认识。他们发现，两种重要的神经递质（或神经系统中使用的信号分子）的化学前体出现在所有的主要动物群体中，而这些动物在拥有中枢神经系统之前就已经存在。

然而，最大的惊喜是，这些分子也存在于动物的单细胞亲属，称为鞭毛虫。这一发现表明，动物的神经肽甚至在最早的动物进化之前就已经起源了。

挪威萨尔斯国际海洋分子生物学中心研究神经元进化起源的Pawel Burkhardt说，这一发现"解决了关于动物神经肽何时以及如何进化的一个长期问题"。它还表明，至少一些对我们大脑运作至关重要的信号分子首先在仅由一个细胞组成的生物体中为一个完全不同的目的而演化。

动物的神经系统是由相互连接的神经元组成的，通过各种小的肽类神经递质在突触中传递信息。这些肽是神经元之间相互交谈的语言。这表明，这些神经元分子甚至在需要细胞与细胞之间的这种广泛交流之前就开始进化了。

但是当进化生物学家试图推断哪些动物细胞首先开始使用这种"语言"时，早期动物进化的模糊性干扰了他们。几乎所有的早期动物群体都制造了与神经肽非常相似的各种分子，包括栉水母（梳状水母）和刺胞动物（水母、珊瑚和海葵）。即使是被称为胎生动物的极其简单的动物，它们没有类似神经元的细胞，也会制造神经肽。海绵动物似乎是唯一的例外，这就是为什么人们普遍认为动物的神经肽起源于刺胞动物或栉水母，在海绵动物从动物树的其他部分分支出来后。

但这一理论的问题是，早期动物群体中的神经肽的氨基酸序列与双体动物的神经肽差别很大，似乎没有一种神经肽的相似性足以成为它们的祖先。更糟糕的是，许多单细胞动物，或原生动物也制造各种各样不相关的神经肽。大脑神经肽的进化线索似乎就这样消失了。

最近，埃克塞特大学Gáspár Jékely实验室研究进化神经生物学的Luis Yañez-Guerra打破了这种僵局。为了追踪各种动物神经肽的起源和进化，Yañez-Guerra将神经肽映射到早期支系动物及其近亲--鞭毛虫的进化树上。

在他的博士工作中，他已经创建了一个庞大的动物神经肽清单，当他开始在动物树上寻找这些神经肽时，他偶然意识到鞭毛虫会制造两种成熟神经肽的蛋白质前体：phoenixin和nesfatin。这在鞭毛虫中的存在是一个惊喜，因为神经肽通常出现在发送者和接受者的神经元中。Yañez-Guerra说："在一个单细胞生物体中，这更难说得通。这表明这些神经元分子甚至在需要这种细胞与细胞之间的广泛交流之前就开始进化了。这就是为什么它有点令人震惊"。

现在研究人员已经在动物生命的所有主要早期分支中发现了神经肽，包括（从右上角顺时针方向）栉水母或梳状水母、海绵和刺胞动物，如水母和海葵。

phoenixin和nesfatin的前体并不直接作为神经肽被神经系统使用；相反，这些长肽是化学前体，被切割和加工成较小的分子，成为功能性的、成熟的神经肽。它们的隐藏身份可能是它们没有被确定为早期有希望的线索的原因。

对基因表达数据的进一步搜索证实了Yañez-Guerra的预感，即phoenixin和nesfatin可能是理解神经肽进化的关键。不仅前体肽存在于鞭毛虫中，而且它们也存在于所有的早期动物群体中--甚至是类海绵动物，在那里它们曾被忽略。

鉴于鞭毛虫中的前体分子与所有动物中发现的这些神经肽有如此直接的联系，伯克哈特解释说："所有动物的最后一个共同祖先可能至少有两种神经肽。"

自然产生的问题是。既然不可能是神经信号，那么那些神经肽前体在杂鞭毛虫中做什么？目前还没有一个明确的答案。鞭毛虫似乎确实产生了成熟的phoenixin神经肽，但没有产生成熟的nesfatin神经肽。鞭毛虫有可能使用它们的phoenixin神经肽来相互交流，例如协调鞭毛虫群落的形成。

但在他们的论文中，Yañez-Guerra和他的同事还提出，这些前体可能是多功能的分子。他们指出，根据它们的肽序列，两种前体都可能是分泌分子。他们还指出，虽然凤凰素前体可以被加工成神经肽，但它的一段也可以成为一种"伴侣"，确保蛋白质被正确折叠，形成线粒体能量收集设备的一个关键的相关复合物。

在前体的进化过程中，对这些"兼职"功能的选择压力可能比任何细胞间信号的需要更大。目前，Yañez-Guerra和Burkhardt正在合作研究一种缺少phoenixin前体的突变体鞭毛虫，以更好地了解其功能。他们还在寻找鞭毛虫中能接受神经肽的受体分子。

不幸的是，这两种神经肽前体为所有动物所共享这一事实很难简化神经系统的早期进化。去年12月，Mariia Sachkova和她在萨斯中心的同事与Burkhardt合作，报告说在一个机器学习工具的帮助下，他们已经确定了许多在栉水母基因组中编码的奇特的神经肽，其中许多与动物王国中的任何其他神经肽不同。

神经肽并不是栉水母神经系统的唯一独特之处。它们的神经网络结构是如此不寻常，以至于研究人员怀疑它们是独立于人类和其他动物的神经系统而进化的。为什么栉水母以不同的方式做事是一个谜，但很明显，神经系统在其进化的早期经历了一个巨大的实验和创新时期--而且至少其中一些实验在动物出现之前就开始了。