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。”
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.g005
Arendt 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 / EMBL
3. 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/