Cell子刊深度解讀!突觸的進化機制和奧秘!

2020年6月29日 訊 /生物谷BIOON/ --在任何神經系統中最容易識別的特徵就是突觸，儘管突觸是如何進化的這個問題對於科學家們而言一直是一個謎，但如今這個問題基本已經被解決了，簡言之，神經元細胞之間的突觸似乎是從最初的細胞與細胞之間的接觸直接進化而來的，即連接早期多細胞生物原始上皮層的粘附連接和其它紐帶。

話句話說，關於神經系統如何起源的故事可以追溯到多細胞自身的起源，或者至少是與其接近的起源等，而這一論斷的意義是非常深遠的，雖然確切的細節還很模糊，但多細胞生物是通過克隆獲取和合併的事件進化而來的，在最簡單的情況下，分裂的細胞會複製其DNA並按照正常的方式來分割細胞膜，但自細胞依然會吸附，在單個細胞的成熟過程中，隨著一些暫時性的誘導，一種明顯的表型分化的形式就會很快隨之而來，而一些子代細胞可能會快速進入正常的成年形態，而另一些自細胞則會以某種新的分化形式被永久性地擱置。

圖片來源：neuroscientificallychallenged.com

另一種形成多細胞的途徑就是，具有完全獨特DNA的獨立細胞會以某種方式連接在一起，而奇怪的是，第二種機制仍然會存在於多種現存的聚集生物體中，比如粘菌類和鞭毛蟲等。作為所有後生動物的姐妹群體，領鞭蟲（choanoflagellates）就受到了研究人員的特別關注，不僅僅是因為其在單細胞和殖民主義之間能夠靈活轉換，還因為其發育出了特殊的細胞連接來控制其狀態和極性，雖然聚集通常會被認為是對飢餓和壓力的一種反應，但還有另一個關鍵組成部分能將這些生物的行為與神經系統更直接地聯繫起來。

神經元的通訊系統，也就是其神經遞質系統最初是如何進化的，這個問題如今研究人員有了答案，最近一項刊登在國際雜誌Current Biology上的綜述報告中，研究者Detlev Arendt詳細介紹了前後突觸的實際硬體的全部起源，文章中研究人員列出了典型的生命小分子傳遞系統首次出現在舞臺上的順序，並記錄了相關的結構基質等信息。

在突觸前部，研究者將其分為三個主要部分，活躍區的囊泡釋放基質、依賴電壓的鈣質通道能將刺突轉化為鈣順變狀態，SNAP/Snare/突觸結合蛋白複合體能將鈣質信號轉化為囊泡融合狀態，特別是在突觸蛋白的進化擴張過程中，似乎在細胞膜之間甘油糖脂的鈣調控轉運中發揮了重要的早期作用，一旦形成囊泡，這些膜包裹就不可避免地含有親水蛋白，而且還可能會含有溶解性肽類，這些肽類會被排除或以其它方式導入膜包的內部。

進化記錄還顯示，一些囊泡狀的嘌呤核苷酸轉運體在生命早期就已經存在了，通過在混合物中加入適當的受體，粗肽和核苷酸傳遞系統的組成在動物出現之前就已經被掌握了。比如在領鞭蟲中，分泌小泡會從反式高爾基體網絡中萌芽，並與頂端的原生質膜融合；在許多非神經分泌細胞類型的緻密核囊泡分泌過程中，一種幾乎完全對鈣敏感的突觸前機制也會保持活躍。除了肽類和核苷酸轉運體外，第一個就是現代的胺基酸神經遞質似乎是穀氨酸，SLC17A6-8家族中的囊泡性穀氨酸轉運體（溶質載體）存在於所有動物機體，包括早期的分支海綿和胎盤動物等。第一個囊泡異質性胺基酸轉運載體（VIAAT-SLC32A1）似乎是為了對GABA和甘氨酸的攝取，因為其存在於刺胞動物的祖先中，隨後進化的就是囊泡型乙醯膽鹼轉運蛋白（VAChT-SLC18B3），其目前只存在於雙側體中，研究人員得出了一個大致的初始轉運遞質年代表：ATP＞穀氨酸＞GABA/甘氨酸＞乙醯膽鹼。

在突觸後端，研究者注意到模塊化的結構或許要比突出前更加多變，儘管穀氨酸能突觸與異質性突觸在重要方面上有所不同，但由於其複雜的脊椎形成，這往往要比膽鹼能突觸更為複雜；比如，在兩個興奮性而非抑制性突觸中，受體直接與構建在突觸前，密度特異性蛋白柄周圍的支架蛋白結合，而菸鹼乙醯膽鹼受體家族則是配體門控的無聚氰胺離子通道，其與GABA和甘氨酸受體的關係較遠。

圖片來源：biology.stackexchange.com

在穀氨酸突觸後，Shank蛋白能通過皮層連接到肌動蛋白骨架上，並與一種稱之為Homer的支架蛋白形成網狀機制，在進化的某個階段，早期的穀氨酸突觸後結構能接一種古老的絲狀突起模塊，該模塊基於一種稱之為IRSp53的支架蛋白，從而就能與突出前建立聯繫，這種結合產生了標準的樹突棘形態，今天我們仍然能在許多興奮性神經元中觀察到。

這種聯合研究的主要證據來自於在領鞭蟲和海綿領細胞的頂端區域中所發現的含有IRSp53的所謂的微絨毛項圈的絲狀結構，實際上，在後生動物的許多感覺和分泌上皮細胞類型中仍然保留著殘留的微絨毛頸，比如穩定的IRSp53陽性微絨毛就能夠形成毛細胞的末端，也能形成了我們腦室深處的與脊髓液接觸的細胞。

晚期進化的膽鹼能突觸似乎使用了相同的穀氨酸支架，而不像Homer和IRSp53模塊，另一方面，抑制性的GABA和甘氨酸突觸後結構並不能將其離子型受體彼此固定在一起，也不能將Shank、Homer或IRSp53固定在細胞骨架上。相反，研究者使用了一種名為橋尾蛋白(gephyrin)的分子，奇怪的是，橋尾蛋白還發揮著一種關鍵、有時甚至是神秘的角色，其位於複雜的鉬輔因子合成鏈的頂端。

研究人員想知道這種古老的、廣泛表達且關鍵性的鉬合成蛋白是如何獲得突觸端結構的，這就是我們現在面臨的百萬美元問題，也許線索很快就會從上述那種系統發育檢查中得到。當研究人員開始更仔細地察看在突觸處把東西固定在一起的許多球蛋白和整合蛋白時，他們就有可能直接觀察到在最原始的生物中發現的特定粘連、閉塞和隔膜連接亞型的僵硬的頂端到基部的垂直排序是如何在拓撲學上展開成為線性、極化且軸突狀的域，而這些域就是今天固定我們自己的神經系統中的信息。

嚴格來講，緊密連接會在脊索動物中首先出現，其位於粘連節的頂端，而更難以捉摸的獨立節則出現在兩側位置。有趣的是，隔膜結只在無脊椎動物中被毫不含糊地報導過，只有一個地方例外，即脊椎動物的副節部位。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

【1】The evolution of the synapse

【2】Detlev Arendt. The Evolutionary Assembly of Neuronal Machinery, Current Biology (2020). doi:10.1016/j.cub.2020.04.008