PNAS改写神经系统关键组成部分的进化史

　　一项新的研究改写了人们对某些离子通道——神经系统中电信号至关重要的蛋白质——的传统理解的进化史。这项由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的研究表明，在所有动物的共同祖先出现之前，沙克离子通道家族就存在于微观单细胞生物中，因此在神经系统的起源之前。

　　

宾州大学公园一项新的研究改写了人们对某些对神经系统电信号至关重要的蛋白质的传统理解的进化史。这项由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的研究表明，在所有动物的共同祖先出现之前，被充分研究过的蛋白质家族——Shaker家族中的钾离子通道——就存在于显微镜下的单细胞生物中。这表明，这些离子通道在神经系统起源之前就存在了，而不是像之前认为的那样与神经系统一起进化。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院生物学副教授、该研究小组的负责人蒂莫西·杰格拉(Timothy Jegla)说:“我们倾向于认为进化是朝着越来越复杂的方向单向前进的，但自然界往往不是这样。”“例如，人们认为，随着不同种类的动物进化，神经系统变得更加复杂，离子通道出现并多样化，以适应这种复杂性。但我们的研究表明，情况并非如此。我们之前已经证明，最古老的现存动物，那些神经网络简单的动物，离子通道的多样性最高。这一新发现进一步证明，神经系统的许多组成部分在我们的原生动物祖先身上就已经存在了——甚至在神经系统存在之前。”

离子通道位于细胞膜上，调节被称为离子的带电粒子如何进出细胞，这一过程产生电信号，而电信号是神经系统通信的基础。Shaker离子通道家族存在于从人类到老鼠和果蝇等多种动物体内，它专门调节钾离子如何流出细胞，终止被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，很像计算机芯片中的晶体管。

杰格拉说:“我们所知道的离子通道在分子水平上是如何工作的，大部分来自于对离子通道家族的机械研究。”“我们以前认为，电压门控钾通道的Shaker家族只在动物身上发现，但现在我们看到，为这个离子通道家族编码的基因存在于动物最接近的几个物种中，这是一组被称为鞭毛虫的单细胞生物。”

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

震动家族中的几个亚家族或类型的离子通道存在于整个动物王国。研究小组先前发现，栉水母——一种具有相对简单的“神经网”的动物，被认为与最早的动物神经系统相似——只有一种称为Kv1的神经类型。这让研究小组相信，动物的共同祖先可能只有Kv1，其他类型的基因后来才进化出来。然而，Jegla和他的同事们发现，鞭毛类动物中的Shaker家族基因与Kv2、Kv3和Kv4型的关系更为密切。

杰格拉说:“我们认为2型到4型被认为是在最近的时间里进化的，但我们的新工作表明，在鞭藻中发现的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种亚型，包括在栉水母中发现的Kv1，以及在鞭藻中发现的kv2 -4样通道。

杰格拉补充说:“Kv2-4-like基因在最早的动物群体(如栉水母和海绵)的后代中丢失了，所以我们知道它们存在于最早的动物中的唯一原因是choanoflagellates。”“基因丢失在进化过程中确实很常见——就像新基因的进化一样普遍——尽管很难检测到。现在基因测序足够便宜，科学家可以对物种进行广泛的采样，而不仅仅是研究几个有代表性的物种，我们可以检测到更多的基因损失，这将改变我们对我们自己的基因家族中有多少最初进化的看法。”

杰格拉指出，这项研究也进一步证明，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了。

杰格拉说:“我们在电信号中使用的大多数功能重要的蛋白质，是神经元交流和神经肌肉运动的基础，都是基于动物之前存在的蛋白质。”“似乎动物在进化的早期就能拼凑出一个功能正常的神经系统，仅仅是因为大多数必要的蛋白质已经存在了。”

杰格拉补充说，了解这些离子通道是如何进化的，有助于我们了解它们是如何起作用的，这反过来可能对治疗与离子通道功能障碍有关的疾病，如心律失常和癫痫有影响。