最近的一項研究改寫了人們對神經系統中電訊號傳導所必需的關鍵蛋白質的演化史的傳統認識。賓州州立大學的研究人員進行的這項研究揭示，在所有動物的共同祖先出現很久以前，微小的單細胞生物體中就存在眾所周知的蛋白質家族–Shaker家族中的鉀離子通道。

這表明，這些離子通道並非像以前認為的那樣與神經系統一起進化，而是在神經系統起源之前就已經存在。

這項研究發表在《美國國家科學院院刊》。

賓州州立大學埃伯利科學學院生物學副教授、研究小組組長蒂莫西-傑格拉（Timothy Jegla）說：”我們往往認為進化是朝著越來越複雜的方向單向前進，但自然界往往並非如此。我們先前已經證明，最古老的動物，即那些神經網簡單的動物，其離子通道的多樣性最高。祖先–甚至在神經系統出現之前就已經存在了。

離子通道位於細胞膜中，調節稱為離子的帶電粒子如何進出細胞，過程產生電訊號，而電訊號是神經系統交流的基礎。從人類到小鼠和果蠅等多種動物體內都存在著搖床離子通道家族，它們專門調節鉀離子如何流出細胞，以終止稱為動作電位的電訊號。這些通道可以根據電場的變化打開或關閉，就像電腦晶片中的電晶體一樣。

傑格拉說：”我們對離子通道如何在分子層面上運作的了解，大部分來自對Shaker離子通道家族的機理研究。我們以前認為，電壓門控鉀通道的Shaker家族只存在於動物體內，但現在我們發現，編碼這個離子通道家族的基因存在於動物的近親–一類叫做領鞭毛蟲的單細胞生物–的多個物種中。

研究人員先前曾在兩種領鞭毛蟲中尋找這些基因，但都沒有找到。在目前的研究中，他們將搜尋範圍擴大到了21 種擬甲藻，並在其中3 種擬甲藻中發現了振動器家族基因的證據。

在整個動物王國中，Shaker家族有多個離子通道亞家族或類型。研究小組先前發現，梳狀水母–被認為與最早的動物神經系統類似，具有相對簡單的”神經網”–只有其中一種類型，稱為Kv1，這讓研究小組認為，動物的共同祖先可能只有Kv1，其他類型是後來演化而來的。然而，傑格拉及其同事發現，領鞭毛蟲體內的振動器家族基因與Kv2、Kv3和Kv4類型的關係更為密切。

傑格拉說：”我們原以為2至4型通道的進化時間較近，但我們的新工作表明，在領鞭毛蟲體內發現的Kv2-4類通道實際上是最古老的亞型。”

此外，這項發現還表明，在動物家族樹的基部存在多種亞型，包括在梳水母中發現的Kv1 和在領鞭毛蟲中發現的Kv2-4 類通道。

傑格拉補充說：”Kv2-4-like基因在梳水母和海綿等最早的動物群體的後代中丟失了，所以我們之所以知道它們存在於最早的動物中，唯一的原因就是要歸功於領鞭毛蟲。代表性的物種，我們可以檢測到更多的基因缺失，這將改變我們對許多基因家族最初是如何進化的看法。

傑格拉指出，這項工作也增加了越來越多的證據，證明神經系統的許多元素在整個神經系統進化之前就已經存在，我們在電訊號中使用的大多數功能重要的蛋白質，它們是神經元溝通和神經肌肉運動的基礎，都是基於動物之前就存在的蛋白質。看來，動物能夠在演化早期就拼湊出功能正常的神經系統，只因為大多數必要的蛋白質已經存在。

了解這些離子通道是如何進化的有助於我們了解它們是如何發揮作用的，這反過來又可能對治療與離子通道功能障礙有關的疾病（如心律不整和癲癇）產生影響。

編譯自/ ScitechDaily