这种称为领鞭毛虫的微生物是与动物界关系最密切的单细胞生物之一。新研究表明，它的祖先制造的蛋白质后来被第一批动物的神经系统重新利用。
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我们的人类大脑似乎是进化的最高成就，但这一成就的根源很深：现代大脑起源于数亿年的复杂性增量进步。进化生物学家已经通过动物家族树的分支追溯了这一进展，该分支包括所有具有中枢神经系统的生物，即双边动物，但很明显，神经系统的基本元素存在得更早。
英国埃克塞特大学的一组研究人员最近的一项发现，现在已经清楚地表明了多早。他们发现，两种重要的神经递质或用于神经系统的信号分子的化学前体出现在所有主要动物群中，这些动物群早于具有中枢神经系统的生物。
然而，最大的惊喜是这些分子也存在于动物的单细胞亲属中，称为领鞭毛虫。这一发现表明，动物神经肽起源于甚至最早的动物进化之前。
这一发现“解决了一个长期存在的问题，即动物神经肽何时以及如何进化，”挪威 Sars 国际海洋分子生物学中心研究神经元进化起源的Pawel Burkhardt说。它还表明，在仅由单个细胞组成的生物体中，至少有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进化的。
动物的神经系统由相互连接的神经元组成，通过各种小肽神经递质在突触之间传递信息。这些肽是神经元相互交流的语言。
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受到干扰。几乎所有早期动物群体都制造了多种与神经肽非常相似的分子，包括栉水母（梳状果冻）和刺胞动物（水母、珊瑚和海葵）。即使是非常简单的动物，称为 placozoans，没有类似神经元的细胞，也会制造神经肽。海绵似乎是唯一的例外，这就是为什么人们普遍认为动物神经肽起源于刺胞动物或栉水母，在海绵从动物树的其余部分分叉之后。
然而，该理论的问题在于，早期动物群中神经肽的氨基酸序列与双侧神经肽的差异如此之大，以至于似乎没有一种相似到足以与它们祖先相似。更糟糕的是，许多单细胞动物或原生动物也产生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在灌木丛中。
这一僵局最近被在埃克塞特大学Gáspár Jékely实验室研究进化神经生物学的Luis Yañez-Guerra打破。为了追踪各种动物神经肽的起源和进化，Yañez-Guerra 将神经肽映射到早期分支动物及其近亲领鞭毛虫的进化树上。
从他的博士工作中，他已经创建了一个庞大的动物神经肽列表，当他开始在动物树的更深处寻找它们时，他偶然发现领鞭毛藻可以制造两种成熟神经肽凤凰素和 nesfatin 的蛋白质前体。
它们在领鞭毛虫中的存在令人惊讶，因为神经肽通常出现在发送者和接收者神经元的环境中。 “在单细胞生物体中，它更难理解，”Yañez-Guerra 说。 “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。这就是为什么它有点令人震惊。”
现在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（从上到下）刺胞动物，如海葵和水母、海绵和栉水母或梳状果冻。
（从上到下）伯纳德·斯普拉格；佩德罗·塞克利；克劳斯·斯蒂菲尔；诺沃克海事博物馆
现在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（从右上角顺时针）栉水母或栉水母、海绵和刺胞动物，如水母和海葵。
（从右上角顺时针）诺沃克海事博物馆；克劳斯·斯蒂菲尔；佩德罗·塞克利；伯纳德·斯普拉格
phoenixin 和 nesfatin 的前体不被神经系统直接用作神经肽；相反，这些长肽是化学前体，它们被切碎并加工成更小的分子，成为功能性成熟的神经肽。他们隐藏的身份可能是为什么他们没有更早地被确定为有前途的线索。
对基因表达数据的进一步搜索证实了 Yañez-Guerra 的预感，即 phoenixin 和 nesfatin 可能是理解神经肽进化的关键。前体肽不仅存在于领鞭毛虫中，而且它们也存在于所有早期动物群体中——甚至是海绵中，它们曾被忽视。
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关，Burkhardt 解释说：“所有动物的最后一个共同祖先可能至少有两种神经肽。”
自然产生的问题是：那些神经肽前体在领鞭毛虫中做了什么，因为它不可能是神经信号？目前还没有一个确定的答案。 Choanoflagellates 似乎确实产生了成熟的凤凰神经肽，但不产生成熟的 nesfatin 神经肽。领鞭毛虫可能使用它们的凤凰素神经肽相互交流，例如协调领鞭毛虫菌落的形成。
但在他们的论文中，Yañez-Guerra 和他的同事们也提出，前体可能是多功能的“月光”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，虽然凤凰蛋白前体可以加工产生神经肽，但它的一部分也可以成为“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，那些“兼职”功能的选择压力可能比任何对细胞间信号传导的需求更大。目前，Yañez-Guerra 和 Burkhardt 正在合作研究一种缺少凤凰素前体的突变型领鞭毛藻，以更好地了解其功能。他们还在领鞭毛虫中寻找能够接受神经肽的受体分子。
不幸的是，这两种神经肽前体为所有动物所共有的事实几乎没有简化神经系统的早期进化。去年 12 月，Sars 中心的Mariia Sachkova和她的同事与 Burkhardt 合作报告说，在机器学习工具的帮助下，他们发现了许多编码在栉水母基因组中的特殊神经肽，其中许多与动物王国中的任何其他神经肽都不同。
神经肽并不是栉水母神经系统的唯一独特之处：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的进化独立于人类和其他动物所见。为什么栉水母以不同的方式做事是一个谜，但很明显，神经系统在其进化的早期经历了一段巨大的实验和创新——至少其中一些实验甚至在动物存在之前就开始了。
原文： https://www.quantamagazine.org/brain-signal-proteins-evolved-before-animals-did-20220603/