一小组基因可能为蠕虫不同类型的脑细胞提供独特的条形码

当涉及到脑细胞时，一种尺寸并不适用于所有的细胞。神经元有各种各样的形状、大小，包含不同类型的大脑化学物质。但它们是怎么变成这样的呢?一项新的研究自然蠕虫所有神经元的特征都与一个单一基因家族的独特成员有关，该家族控制着将DNA指令转化为蛋白质的过程，即基因表达。这项研究的结果可以为理解包括人类在内的许多其他动物的神经系统是如何进化的提供基础。该研究由美国国立卫生研究院下属的国家神经疾病和中风研究所(NINDS)资助。

“从蠕虫到人类，所有动物的中枢神经系统都非常复杂，高度有序。大量神经元细胞类型的产生和多样性是由基因表达NINDS的项目主任罗伯特·里德尔博士说。“所以，考虑到我们看到的整个细胞多样性是令人惊讶和兴奋的神经系统可能来自于单一的一组基因。”

由生物化学教授奥利弗·霍伯特博士带领的研究人员分子生物物理学来自纽约哥伦比亚大学的教授和研究生Molly B. Reilly想知道这是怎么回事大脑细胞在秀丽隐杆线虫中获得了不同的形状和功能。在这些实验中，研究人员使用了一种基因工程的蠕虫神经元都是用颜色标注的。此外，绿色荧光蛋白的编码序列被插入到同源盒基因中，这是一组高度保守的基因，已知在发育中起着基本作用。同源异构体基因表达模式是通过检测发光荧光标记的模式来确定的。

霍伯特博士的团队发现，在整个蠕虫神经系统中，每种类型的神经元都包含一套独特的同位盒蛋白。换句话说，每个神经元的身份都可以追溯到被打开或关闭的同源盒基因的特定组合。

同源盒基因最初被发现是为了确保身体各部分在适当的位置结束。此后，在所有动物物种以及植物和真菌中都发现了这些基因。同源异构体基因含有制造转录因子的指令，转录因子是一种可以控制其他基因活性的蛋白质。

成年秀丽隐杆线虫的神经系统包含302个神经元，可分为118种。霍伯特博士的团队确定了70个同型盒子基因都与神经元类型的特征有关。此外，进一步的分析表明，同源盒编码可用于细分神经元类别。例如，附加的分析不仅确定了一个细胞是运动神经元，而且还确定了它在腹神经索(蠕虫的脊髓)中的位置。

“神经元的多样性可能是由一个区分大脑中单个细胞类型的基因家族驱动的，”霍伯特博士说，“这种安排很简单，因为一个基因家族就可以解释所有脑细胞类型。这个简单的“条形码”基因家族所产生的复杂性暗示了它的潜在作用同源框基因在神经系统的进化中。”

未来的研究将调查大脑是否细胞在其他生物中也可以通过特定的蛋白质编码来识别。此外，研究人员还将研究改变编码对神经元身份和功能的影响。

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