KarthikShekhar和他的同事们从波士顿屠夫那里收集牛和猪的眼睛时，引起了一些人的注意，但这些眼睛——最终来自包括人类在内的17个不同物种——为脊椎动物视网膜的进化提供了见解，并可能导致更好的动物模型对于人类的眼部疾病。

眼睛中的细胞类型具有古老的进化起源

视网膜是一台微型计算机，包含多种类型的细胞，这些细胞在将视觉信息传输到大脑的其他部分之前共同处理视觉信息。在对动物视网膜中多种细胞类型的比较分析中(正如Shekhar之前的研究所示，仅小鼠视网膜中就有130种细胞类型)研究人员得出结论，大多数细胞类型都有古老的进化历史。

这些细胞类型在分子水平上存在差异，为了解它们的功能以及它们如何参与构建我们的视觉世界提供了线索。

它们在不同物种间的显着保守性表明，大约2亿年前在地球上漫游的所有哺乳动物最后一个共同祖先的视网膜的复杂性一定可以与现代哺乳动物的视网膜相媲美。事实上，有明确的迹象表明，其中一些细胞类型可以追溯到4亿多年前，是所有脊椎动物(即哺乳动物、爬行动物、鸟类和有颌鱼类)的共同祖先。

该结果发表在《自然》杂志上，作为10篇论文的一部分，报告了BRAINInitiative细胞普查网络创建成年小鼠大脑细胞类型图谱的最新结果。第一作者是加州大学伯克利分校Shekhar小组的化学和生物分子工程研究生JoshuaHahn。这项工作是与哈佛大学JoshuaSanes团队平等合作的。

这一发现令人惊讶，因为脊椎动物的视力因物种而异。鱼需要在水下看东西，老鼠和猫需要良好的夜视能力，猴子和人类为了狩猎和觅食而进化出非常敏锐的白天视力。有些动物看到鲜艳的色彩，而另一些动物则满足于看到黑白的世界。

然而，研究人员得出结论，许多脊椎动物物种共享多种细胞类型，这表明定义这些类型的基因表达程序可能可以追溯到有颌脊椎动物的共同祖先。

例如，研究小组发现，一种细胞类型——“侏儒”视网膜神经节细胞——负责我们看到细节的能力，它并不像人们认为的那样是灵长类动物所独有的。通过使用统计推断方法分析大规模基因表达数据，研究人员发现了所有其他哺乳动物中侏儒细胞的进化对应物，尽管这些对应物的比例要小得多。

“我们所看到的是，一些被认为是灵长类动物独有的东西显然并不独特。它是一种可能非常古老的细胞类型的改造版本，”加州大学伯克利分校化学和生物分子工程助理教授谢卡尔说。“早期脊椎动物的视网膜可能非常复杂，但从那时起，所有的物种都使用、扩展、重新利用或翻新了这些部件清单。”

巧合的是，谢卡尔在加州大学伯克利分校的一位同事、视光学院的TeresaPuthussery上个月在《自然》杂志上报道称，另一种被认为在人眼中消失的细胞类型——一种负责凝视稳定的视网膜神经节细胞——仍然存在。Puthussery和她的同事利用Shekhar之前与人合着的一篇论文中的信息来选择分子标记，帮助识别灵长类动物视网膜组织样本中的这种细胞类型。

从某种意义上说，这些发现并不完全令人惊讶，因为脊椎动物的眼睛也有类似的计划：光感受器检测到光，将信号传递给双极细胞、水平细胞和无长突细胞，这些细胞又与视网膜神经节细胞连接，然后将结果传递给大脑的视觉皮层。Shekhar使用新技术，特别是单细胞基因组学，同时分析视觉系统(从视网膜到视觉皮层)内数千至数万个神经元的分子组成。

由于脊椎动物中已识别的视网膜细胞类型的数量差异很大——根据Shekhar和他的同事之前的研究，人类大约有70种，而小鼠中有130种——因此这些不同细胞类型的起源一直是个谜。

谢卡尔说，这项新研究出现的一种可能性是，随着灵长类动物的大脑变得更加复杂，灵长类动物开始减少对眼睛内信号处理的依赖——这是反射行为的关键，例如对接近的捕食者做出反应——并且更多关于视觉皮层内的分析。因此，人眼中分子上不同的细胞类型明显减少。

“我们的研究表明，人类视网膜可能已经进化到可以将执行复杂视觉计算的细胞类型换成基本上只是与大脑传输相对未经处理的视觉世界图像的细胞类型，这样我们就可以用大脑做更多复杂的事情那个，”谢卡尔说。“我们正在为了技巧而放弃速度。”

该团队最新的各种脊椎动物视网膜细胞类型的详细图谱可以帮助研究人眼疾病。谢卡尔的团队还在研究青光眼的分子特征，青光眼是世界上不可逆失明的主要原因，在美国是继黄斑变性之后第二大常见的失明原因。

然而，虽然小鼠是研究青光眼最喜欢的模型动物，但它们的侏儒视网膜神经节细胞对应物却很少。这些细胞类型仅占小鼠所有神经节细胞的2%至4%，而人类90%的视网膜神经节细胞都是侏儒细胞。

“这项工作在临床上很重要，因为最终，侏儒细胞可能是我们在人类青光眼中最应该关心的，”谢卡尔说。“了解小鼠体内的对应物有望帮助我们更好地设计和解释这些青光眼小鼠模型。”

单细胞转录组学

在过去的八年里，Shekhar和Sanes一直在应用单细胞基因组方法来分析细胞中的mRNA分子，并根据其基因表达指纹对它们进行分类。

这项技术逐渐帮助识别了视网膜内越来越多的不同细胞类型，其中许多是谢卡尔在博德研究所与单细胞基因组学先驱之一阿维夫·雷格夫(AvivRegev)一起担任博士后研究员时发起的研究。正是在她的实验室里，谢卡尔开始与著名的视网膜神经生物学家萨内斯一起工作，萨内斯后来成为谢卡尔的共同顾问和合作者。

在当前的研究中，他们希望将单细胞转录组学方法扩展到其他物种，以了解视网膜细胞类型如何通过进化发生变化。他们总共收集了17个物种的眼睛：人类、两只猴子(猕猴和狨猴)、四种啮齿动物(三种小鼠和一种地松鼠​​)、三种有蹄类动物(牛、羊和猪)、树鼩、负鼠、雪貂、鸡、蜥蜴、斑马鱼和七鳃鳗。

哈佛大学的Sanes团队进行了转录组实验，加州大学伯克利分校的Shekhar团队进行了计算分析，在每个物种中都鉴定出了许多新的细胞类型。然后，他们将这种变异映射到较小的一组“原型”——这些细胞类型可能是早期脊椎动物中相同祖先细胞类型的后代。

对于双极细胞(位于感光细胞和视网膜神经节细胞之间的一类神经元)，他们发现了14种不同的原型。大多数现存物种包含13至16个双极类型，这表明这些类型的进化很少。

相比之下，他们发现了21种视网膜神经节细胞的正型，它们在物种之间表现出更大的变异。迄今为止的研究已在小鼠中鉴定出40多种不同类型，在人类中鉴定出约20种不同类型。

有趣的是，与其他视网膜类别相比，视网膜神经节细胞类型之间明显的进化差异表明，自然选择对神经元类型多样化的作用更强，这些神经元类型将信息从视网膜传输到大脑的其他部分。

他们还发现，与小鼠视网膜细胞类型规范有关的许多转录因子是高度保守的，这表明导致视网膜发育的分子步骤在进化上也可能是保守的。

基于这项新工作，谢卡尔将他的青光眼研究重新集中在小鼠体内的小型细胞(称为α细胞)的类似物上。