Крошечные морские существа дают эволюционный ключ к происхождению нейронов

Исследователи изучили крошечных морских животных, называемых плакозой, и обнаружили неожиданные связи с эволюцией нейронов. У этих древних существ есть специализированные секреторные клетки, которые могли быть предшественниками нейронов у современных животных.

Результаты исследования предполагают, что основы нейронов начали формироваться 800 миллионов лет назад, при этом пептидергические клетки напоминали примитивные нейрональные клетки. Эти открытия переопределяют наше понимание эволюционной траектории нейрона.

Новизна исследования

Исследование, опубликованное в журнале Cell, проливает новый свет на эволюцию нейронов, уделяя особое внимание плакозоям, морским животным размером в миллиметр. Исследователи из Центра геномной регуляции (Center for Genomic Regulation) в Барселоне обнаружили доказательства того, что специализированные секреторные клетки, обнаруженные у этих уникальных и древних существ, могли давать начало нейронам у более сложных животных.

Плакозоа — что за зверь?

Плакозоа — крошечные животные размером с большую песчинку, которые питаются водорослями и микробами, живущими на поверхности камней и других субстратов, обитающих в мелких, теплых морях. Существа, похожие на капли и блины, настолько просты, что живут без каких-либо частей тела или органов.

Эти животные, предположительно впервые появившиеся на Земле около 800 миллионов лет назад, являются одной из пяти основных линий животных наряду с Ctenophora (гребневики), Porifera (губки), Cnidaria (кораллы, морские анемоны и медузы) и Bilateria (все другие животные).

Морские существа координируют свое поведение благодаря пептидергическим клеткам — особым типам клеток, которые выделяют небольшие пептиды, которые могут управлять движением или кормлением животного. Движимые интригой происхождения этих клеток, авторы исследования использовали ряд молекулярных методов и вычислительных моделей, чтобы понять, как развивались типы клеток плакозоа, и собрать воедино то, как наши древние предки могли выглядеть и функционировать.

Реконструкция древних типов клеток

Исследователи сначала составили карту всех типов клеток плакозоа, отметив их характеристики у четырех разных видов. Каждый тип клеток выполняет особую роль, которая определяется определенным набором генов.

«Клеточные атласы» позволили исследователям составить карту кластеров или «модулей» этих генов. Затем ученые создали карту регуляторных областей ДНК, которые контролируют эти генные модули, раскрывая четкую картину того, что делает каждая клетка и как они работают вместе. Наконец, они провели межвидовое сравнение, чтобы реконструировать эволюцию типов клеток.

Исследование показало, что основные девять типов клеток у плакозоа, по-видимому, связаны множеством «промежуточных» типов клеток, которые изменяются от одного типа к другому. Клетки растут и делятся, поддерживая хрупкий баланс типов клеток, необходимый животному для передвижения и питания.

Исследователи также обнаружили четырнадцать различных типов пептидергических клеток, но они отличались от всех других клеток, не показывая никаких промежуточных типов или каких-либо признаков роста или деления.

Удивительно, но пептидергические клетки имели много общего с нейронами — типом клеток, который появился лишь много миллионов лет спустя у более продвинутых животных, таких как билатерии. Межвидовой анализ показал, что эти сходства уникальны для плакозоа и не проявляются у других животных с ранним ветвлением, таких как губки или гребневики (гребневики).

Эволюционные ступеньки

Сходство между пептидергическими клетками и нейронами было тройным. Во-первых, исследователи обнаружили, что эти плакозойные клетки дифференцируются из популяции эпителиальных клеток-предшественников посредством сигналов развития, которые напоминают нейрогенез — процесс, посредством которого формируются новые нейроны, в книдариях и билатериях.

Во-вторых, ученые обнаружили, что пептидергические клетки содержат множество генных модулей, необходимых для построения той части нейрона, которая может отправлять сообщение (пресинаптический каркас). Однако эти клетки далеки от того, чтобы быть настоящими нейронами, поскольку в них отсутствуют компоненты для приема нейронного сообщения (постсинаптические) или компоненты, необходимые для проведения электрических сигналов.

Наконец, авторы исследования использовали методы глубокого обучения, чтобы показать, что типы клеток плакозойных общаются друг с другом, используя внутриклеточную систему, в которой специфические белки, называемые GPCR (рецепторы, связанные с G-белком), обнаруживают внешние сигналы и запускают серию реакций внутри клетки. Эти внешние сигналы передаются нейропептидами, химическими мессенджерами, используемыми нейронами во многих различных физиологических процессах.

«Мы были поражены параллелями», — комментирует доктор Себастьян Найл (Sebastián Najle), соавтор исследования и научный сотрудник Центра геномной регуляции. «Пептергические клетки плакозоа имеют много общего с примитивными нейрональными клетками, даже если они еще не совсем таковы. Это похоже на эволюционную ступеньку».

Рассвет нейрона

Исследование показывает, что строительные блоки нейрона сформировались 800 миллионов лет назад у предков животных, незаметно пасущихся в мелководных морях древней Земли. С эволюционной точки зрения ранние нейроны могли возникнуть как нечто вроде пептидергических секреторных клеток современных плакозоа.

Эти клетки общались с помощью нейропептидов, но в конечном итоге получили новые генные модули, которые позволили клеткам создавать постсинаптические каркасы, формировать аксоны и дендриты и создавать ионные каналы, генерирующие быстрые электрические сигналы – инновации, которые имели решающее значение для зарождения нейронов около ста миллионов лет после того, как предки плакозоа впервые появились на Земле.

Однако полную историю эволюции нервных систем еще предстоит рассказать. Считается, что первый современный нейрон произошел от общего предка книдарий и билатерий около 650 миллионов лет назад. И все же нейроноподобные клетки существуют в гребневиках, хотя они имеют важные структурные различия и лишены экспрессии большинства генов, обнаруженных в современных нейронах.

Присутствие некоторых из этих нейрональных генов в клетках плакозоа и их отсутствие в гребневиках ставит новые вопросы об эволюционной траектории нейронов.

«Плакозоа не хватает нейронов, но теперь мы обнаружили поразительное молекулярное сходство с нашими нервными клетками. У гребневиков есть нейронные сети, имеющие ключевые различия и сходства с нашими. Нейроны эволюционировали один раз, а затем разошлись, или более одного раза параллельно? Являются ли они мозаикой, где каждая деталь имеет разное происхождение? Это открытые вопросы, которые еще предстоит решить», — добавляет доктор Ксавье Грау-Бове (Xavier Grau-Bové), соавтор исследования и научный сотрудник Центра геномной регуляции.

Авторы исследования полагают, что по мере того, как исследователи во всем мире продолжают секвенировать высококачественные геномы различных видов, происхождение нейронов и эволюция других типов клеток станет все более ясным.

«Клетки являются фундаментальными единицами жизни, поэтому понимание того, как они возникают или изменяются с течением времени, является ключом к объяснению эволюционной истории жизни. Плакозоа, гребневики, губки и другие нетрадиционные модельные животные таят в себе секреты, которые мы только начинаем раскрывать», — заключает профессор Арнау Себе-Педрос (Arnau Sebé-Pedros), автор исследования и руководитель младшей группы в Центре геномной регуляции.

Авторами другого исследования обнаружены 5 сенсорных нервные клетки в толстом кишечнике