科学家在在远古单细胞生物体中发现神经系统的基石：离子通道

最近的一项研究改写了人们对神经系统中电信号转导所必需的关键蛋白质的进化史的传统认识。宾夕法尼亚州立大学的研究人员进行的这项研究揭示，在所有动物的共同祖先出现很久以前，微小的单细胞生物体中就存在众所周知的蛋白质家族--Shaker家族中的钾离子通道。

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经存在。

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、研究小组组长蒂莫西-杰格拉（Timothy Jegla）说："我们往往认为进化是朝着越来越复杂的方向单向前进，但自然界往往并非如此。例如，人们认为随着不同种类动物的进化，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。我们之前已经证明，最古老的动物，即那些神经网简单的动物，其离子通道的多样性最高。这项新发现增加了越来越多的证据，证明神经系统的许多构件在我们的原生动物祖先--甚至在神经系统出现之前就已经存在了。离子通道

离子通道位于细胞膜中，调节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交流的基础。从人类到小鼠和果蝇等多种动物体内都存在摇床离子通道家族，它们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。

杰格拉说："我们对离子通道如何在分子水平上工作的了解，大部分来自对Shaker离子通道家族的机理研究。我们以前认为，电压门控钾通道的Shaker家族只存在于动物体内，但现在我们发现，编码这个离子通道家族的基因存在于动物的近亲--一类叫做领鞭毛虫的单细胞生物--的多个物种中。"

研究人员此前曾在两种领鞭毛虫中寻找这些基因，但没有找到。在目前的研究中，他们将搜索范围扩大到了 21 种拟甲藻，并在其中 3 种拟甲藻中发现了振动器家族基因的证据。

在整个动物王国中，Shaker家族有多个离子通道亚家族或类型。研究小组之前发现，梳状水母--被认为与最早的动物神经系统类似，具有相对简单的"神经网"--只有其中一种类型，称为Kv1，这让研究小组认为，动物的共同祖先可能只有Kv1，其他类型是后来进化而来的。然而，杰格拉及其同事发现，领鞭毛虫体内的振动器家族基因与Kv2、Kv3和Kv4类型的关系更为密切。

杰格拉说："我们原以为2至4型通道的进化时间较近，但我们的新工作表明，在领鞭毛虫体内发现的Kv2-4类通道实际上是最古老的亚型。"

此外，这一发现还表明，在动物家族树的基部存在多种亚型，包括在梳水母中发现的 Kv1 和在领鞭毛虫中发现的 Kv2-4 类通道。

杰格拉补充说："Kv2-4-like基因在梳水母和海绵等最早的动物群体的后代中丢失了，所以我们之所以知道它们存在于最早的动物中，唯一的原因就是要归功于领鞭毛虫。基因缺失在进化过程中确实很常见，与新基因的进化一样常见，但很难发现。现在，基因测序技术已经足够便宜，科学家们可以对物种进行广泛采样，而不是只研究几个有代表性的物种，我们可以检测到更多的基因丢失，这将改变我们对许多基因家族最初是如何进化的看法。"

杰格拉指出，这项工作还增加了越来越多的证据，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，我们在电信号中使用的大多数功能重要的蛋白质，它们是神经元通信和神经肌肉运动的基础，都是基于动物之前就存在的蛋白质。看来，动物能够在进化早期就拼凑出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发挥作用的，这反过来又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）产生影响。

编译自/ScitechDaily