PNAS：脑信号蛋白先于动物进化
▲这种被称之为领鞭毛虫（ choanoplaplate） 的微生物，是与动物界关系最密切的单细胞生物之一。
▎研究介绍
我们人类的大脑看起来像是进化的最高成就，但这一成就的根源根深蒂固：现代大脑是在数亿年的复杂性渐进发展中产生的。
进化生物学家通过包括所有有中枢神经系统的生物的动物族谱分支——双边动物，追溯了这一进展，但很明显，神经系统的基本元素存在的更早。
英国埃克塞特大学的一个研究小组最近的一项发现弄清了到底早了多少。
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，出现在所有具有中枢神经系统的生物之前的主要动物群体中。
然而，最令人惊讶的是，这些分子也存在于单细胞动物的近亲中，称为领鞭毛虫（choanofladellates）。
这一发现表明，动物神经肽起源于甚至是最早的动物进化之前。
挪威Sars国际海洋分子生物学中心研究神经元进化起源的帕维尔·伯克哈特（Pawel Burkhardt）表示，这一发现，解决了一个关于动物神经肽何时以及如何进化的长期问题。
它还表明，至少一些对我们大脑运作至关重要的信号分子，最初是为了完全不同的目的而在只有单个细胞的生物体中进化出来的。
动物神经系统是由相互连接的神经元组成的，通过各种小肽神经递质在突触上传递信息。这些肽是神经元相互交谈的语言。
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它。
几乎所有早期的动物类群，包括栉水母（梳水母）和刺水母（水母、珊瑚和海葵），都制造了与神经肽非常相似的各种分子。
即使是被称为丝盘虫（placozoans）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。
▲海绵生物多样性
▎海绵动物
海绵动物似乎是唯一的例外，这就是为什么人们通常认为动物神经肽起源于刺齿类动物或栉水母，是在海绵动物从动物群体的其他部分分支出来之后。
然而，这一理论的问题是，早期动物类群中神经肽的氨基酸序列与双边神经肽如此不同，以至于没有一种类似到可以说是它们的祖先。
更糟糕的是，许多单细胞动物或原生动物也制造了各种各样不相关的神经肽。脑神经肽的进化轨迹似乎消失了。
最近，在埃克塞特大学加斯帕·杰凯利实验室研究进化神经生物学的路易斯·亚涅斯-格拉打破了这一僵局。
为了追踪各种动物神经肽的起源和进化，研究人员将神经肽映射到早期分支动物及其近亲——领鞭毛虫的进化上。
▲领鞭毛虫的形态变异。用透射电子显微镜观察整个细胞或腔体。
在他的博士工作中，他已经创建了一个动物神经肽的大列表，他偶然发现领鞭毛虫制造了两种成熟神经肽的蛋白质前体，凤心（Phoenxin）和奈斯发汀（nesfatin）。
它们出现在领鞭毛虫是一个惊喜，因为神经肽通常出现在发送和接收神经元的上下文中。
在单细胞生物中，这更难理解，这表明，这些神经元分子甚至在细胞与细胞之间需要这种广泛的交流之前就开始进化了。这就是为什么这有点令人震惊。
▲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（从右上开始顺时针方向）栉水母或梳状水母、海绵和有刺类动物，如水母和海葵。
凤心和奈斯发汀的前体不被神经系统直接作为神经肽使用；相反，这些长肽是化学前体，被切碎并加工成更小的分子，成为功能成熟的神经肽。
它们所隐藏的身份可能是它们早期没有被确定为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研究人员的预感，即凤心和奈斯发汀可能是理解神经肽进化的关键。
前体肽不仅存在于早鞭毛虫中，而且也存在于所有早期动物群体中，甚至是被忽视的海绵。
研究人员解释说，鉴于领鞭毛虫中的前体分子与所有动物中发现的这些神经肽直接相连，所有动物的最后一个共同祖先可能至少有两种神经肽。
▎兼职分子
自然出现的问题是：既然这些神经肽前体不可能是神经信号，那么它们在领鞭毛虫中做了什么？目前还没有明确的答案。
领鞭毛虫确实产生成熟的凤心神经肽，但不产生成熟的奈斯发汀神经肽。这可能是因为领鞭毛虫利用它们的凤凰神经肽相互交流，例如协调领鞭毛虫菌落的形成。
但在他们的论文中，研究人员还提出，前体可能是多功能的「兼职」分子。他们指出，根据它们的肽序列，这两种前体都可能是分泌分子。
他们还指出，虽然凤凰前体可以被加工以产生神经肽，但它的一个片段也可以成为「伴侣」，确保蛋白质正确折叠，形成线粒体能量收集设备的关键复合体。
在前体的进化过程中，这些「兼职」功能的选择压力可能是比任何细胞间信号需要都大的因素。
目前，研究人员正在研究一种缺失凤凰前驱体的突变Choano鞭毛虫，以更好地理解其功能。他们还在领鞭毛虫中寻找接收神经肽的受体分子。
@Kirbie Koonse
▎特殊神经肽
这两种神经肽前体为所有动物所共有，是很难简化神经系统的早期进化。
去年12月，Sars中心的玛丽亚·萨奇科娃（Mariia Sachkova）和她的同事与伯克哈特（Burkhardt）合作指出，在机器学习工具的帮助下，他们已经识别出许多编码在栉水母基因组中的特殊神经肽，其中许多不同于动物界的任何其他神经肽。
神经肽并不是栉水母神经系统唯一独特的东西：它们的神经网络结构如此不同寻常，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网络进化而来的。
为什么栉水母的行为不同是一个谜，但很明显，神经系统在进化的早期经历了一段巨大的实验和创新时期，至少其中一些实验在动物存在之前就开始了。