最近的一项研究改变了对特定离子通道的演化历史的传统看法，这些离子通道是涉及神经系统电信号传递的重要蛋白质。来自宾州州立大学的研究人员发现，Shaker家族的离子通道早在所有动物的共同祖先之前就在微小的单细胞生物中存在，这表明这些通道的存在早于神经系统的发展。
最近的一项研究改变了对某些对神经系统电信号至关重要的蛋白质演化时间线的传统看法。宾州州立大学的研究人员发现，Shaker家族的著名钾离子通道早在所有动物的共同祖先之前就存在于微小的单细胞生物中。这意味着，这些离子通道并非与神经系统共同进化，而是在神经系统出现之前就已经存在。
该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
“我们常常将演化视作向更高复杂性直线进展的过程，但在自然界中，这并不总是如此，”宾州州立大学生物学副教授、该研究的首席研究员Timothy Jegla解释道。“先前，人们认为离子通道是在不同动物的神经系统复杂性不断增加的过程中发展和多样化的。然而，我们的研究与这一观念相矛盾。我们发现，最古老的生存动物，以简单的神经网为特征，实际上展示了离子通道的最大多样性。这个新证据进一步支持了许多对神经系统基础要素在我们原生动物祖先中早已存在，而神经系统本身尚未出现这一观点。”
离子通道存在于细胞膜内，管理带电粒子（称为离子）进出细胞的运动。这种调节对于产生电信号至关重要，这些信号促进了神经系统中的通讯。Shaker家族的离子通道在众多物种中存在，包括人类、老鼠和果蝇，特别控制钾离子的外流以终止称为动电位的电信号。类似于计算机芯片中的晶体管，这些通道通过开合对电场的变化作出响应。
“我们对离子通道分子工作原理的很多知识源于对Shaker家族的研究，”Jegla表示。“我们曾经认为Shaker家族的电压门控钾通道仅存在于动物中，但我们现在在几种颤毛虫——与动物最近的生存亲属的单细胞生物中发现了负责这一家族离子通道的基因。”
在早期研究中，研究团队在两种颤毛虫物种中寻找这些基因但没有发现。在当前的研究中，他们将搜索范围扩大到21种不同的颤毛虫物种，并在三种中发现了Shaker家族基因的证据。
在动物王国中，Shaker家族内存在多种亚家族的离子通道。研究小组之前发现，梳子水母——这种具有相对简单“神经网”的生物，被认为与最早的动物神经系统相似，只有一种这种通道，即Kv1。这使得他们推测，动物的共同祖先可能只有Kv1，而其他类型则是在后期发展而来的。然而，Jegla和他的同事发现，颤毛虫中发现的Shaker家族基因与Kv2、Kv3和Kv4类型的相似性较高。
“我们曾认为Kv2到Kv4类型是近期演化而来的，但我们的新发现表明，颤毛虫中存在的Kv2-4类通道实际上是最古老的形式，”Jegla提到。
这一发现还表明，在动物家谱的起源处，存在多个亚型，包括在梳子水母中发现的Kv1，以及在颤毛虫中识别出的Kv2-4类通道。
“Kv2-4类基因在诸如梳子水母和海绵等最早动物组的现存后代中丧失。我们仅凭颤毛虫的证据认识到它们的早期存在，”Jegla补充道。“基因丧失在演化中非常普遍，发生的频率与新基因的出现一样，尽管这可能难以确切确定。得益于基因测序的廉价，我们现在可以广泛采样物种，从而发现更多基因丧失的实例，这将重塑我们对自己基因家族起源的理解。”
该研究进一步证实了在神经系统完全演化之前，许多神经系统的组成部分已经存在的观点，Jegla指出。
“在动物出现之前，参与电信号传导的重要蛋白质，大多数已经存在，”Jegla解释道。“看来，早期动物能够在它们的进化中迅速组装出一个功能性神经系统，正因为这些必需的蛋白质很容易获得。”
Jegla还强调，理解这些离子通道是如何演化的，可以增强我们对它们功能的理解，从而可能有助于开发针对离子通道故障如心律失常和癫痫相关疾病的治疗方案。
除了Jegla，研究团队还包括宾州州立大学Huck生命科学研究所和Eberly科学学院分子、细胞和整合生物科学项目的研究生Benjamin Simonson，他最近完成了 Dissertation Defense，以及专门研究颤毛虫生理学的滑铁卢大学生物学副教授David Spafford。这项工作得到了宾州州立大学生物学系和Huck生命科学研究所的资助。
