Крошечные морские существа раскрывают древнее происхождение нейронов

Исследование, опубликованное в журнале Cell, проливает новый свет на эволюцию нейронов, сосредоточившись на пластинчатых животных (плакозоях) — морских организмах размером в миллиметр. Учёные из Центра геномной регуляции в Барселоне нашли доказательства, что специализированные секреторные клетки, обнаруженные у этих уникальных древних существ, могли дать начало нейронам у более сложных животных.

Плакозои — крошечные животные размером с крупную песчинку, которые питаются водорослями и микробами на поверхности камней в тёплых мелководных морях. Эти похожие на блин или каплю существа настолько просты, что у них нет ни органов, ни частей тела. Считается, что они появились на Земле около 800 миллионов лет назад и представляют одну из пяти основных линий животных наряду с гребневиками, губками, стрекающими (кораллы, анемоны, медузы) и билатериями (все остальные животные).

Координация поведения этих существ осуществляется с помощью пептидергических клеток — особого типа клеток, выделяющих небольшие пептиды, которые могут направлять движение или питание животного. Стремясь понять происхождение этих клеток, авторы исследования использовали комплекс молекулярных методов и вычислительных моделей, чтобы выяснить, как эволюционировали типы клеток плакозоев, и восстановить облик и функции наших древних предков.

Реконструкция древних типов клеток

Исследователи сначала создали карту всех различных типов клеток плакозоев, описав их характеристики у четырёх разных видов. Каждый тип клеток имеет специализированную роль, обусловленную определёнными наборами генов. Эти клеточные "атласы" позволили выявить кластеры или "модули" таких генов. Затем учёные составили карту регуляторных областей ДНК, контролирующих эти генетические модули, получив чёткую картину функций клеток и их взаимодействия. Наконец, были проведены межвидовые сравнения для реконструкции эволюции типов клеток.

Исследование показало, что девять основных типов клеток плакозоев связаны множеством "промежуточных" типов, которые переходят один в другой. Клетки растут и делятся, поддерживая тонкий баланс типов, необходимый для движения и питания. Учёные также обнаружили четырнадцать различных типов пептидергических клеток, но они отличались от всех остальных: у них не было промежуточных типов и признаков роста или деления.

Неожиданно пептидергические клетки показали множество сходств с нейронами — типом клеток, который появился лишь много миллионов лет спустя у более развитых животных, таких как билатерии. Межвидовой анализ показал, что эти сходства уникальны для плакозоев и не встречаются у других древних ветвей, таких как губки или гребневики.

Эволюционные ступени

Сходства между пептидергическими клетками и нейронами были трёх видов. Во-первых, эти клетки плакозоев дифференцируются из популяции клеток-предшественников эпителия посредством сигналов развития, напоминающих нейрогенез (процесс образования новых нейронов) у стрекающих и билатерий.

Во-вторых, пептидергические клетки имеют множество генетических модулей, необходимых для построения пресинаптического аппарата — части нейрона, которая отправляет сообщение. Однако эти клетки далеки от настоящего нейрона, так как им не хватает компонентов для постсинаптического аппарата (приёмной стороны) или для проведения электрических сигналов.

В-третьих, с помощью методов глубокого обучения авторы показали, что типы клеток плакозоев общаются между собой с помощью системы, в которой специфические белки (GPCR, или рецепторы, сопряжённые с G-белком) обнаруживают внешние сигналы и запускают каскад реакций внутри клетки. Эти внешние сигналы опосредованы нейропептидами — химическими посредниками, которые используют нейроны во многих физиологических процессах.

"Мы были поражены параллелями, — говорит доктор Себастьян Р. Нахле, соавтор исследования. — Пептидергические клетки плакозоев имеют много общего с примитивными нейрональными клетками, даже если они ещё не совсем нейроны. Это как смотреть на эволюционную ступеньку".

Заря нейрона

Исследование показывает, что строительные блоки нейрона формировались 800 миллионов лет назад у предковых животных, незаметно пасшихся в мелководных морях древней Земли. С эволюционной точки зрения, ранние нейроны могли начаться как нечто похожее на пептидергические секреторные клетки современных плакозоев.

Эти клетки общались с помощью нейропептидов, но со временем приобрели новые генетические модули, позволившие создавать постсинаптический аппарат, формировать аксоны и дендриты, а также создавать ионные каналы для генерации быстрых электрических сигналов. Эти инновации были критичны для возникновения нейрона примерно через сто миллионов лет после появления предков плакозоев.

Однако полная эволюционная история нервной системы ещё не рассказана. Считается, что первый современный нейрон возник у общего предка стрекающих и билатерий около 650 миллионов лет назад. При этом нейроноподобные клетки есть у гребневиков, хотя они имеют важные структурные отличия и в них не экспрессируется большинство генов, найденных в современных нейронах.

Наличие некоторых из этих нейрональных генов в клетках плакозоев и их отсутствие у гребневиков ставит новые вопросы об эволюционной траектории нейронов.

"У плакозоев нет нейронов, но мы нашли поразительное молекулярное сходство с нашими нервными клетками. У гребневиков есть нейронные сети с ключевыми отличиями и сходствами с нашими. Нейроны эволюционировали один раз, а затем дивергировали, или несколько раз, параллельно? Они представляют собой мозаику, где каждый элемент имеет разное происхождение? Это открытые вопросы", — говорит доктор Ксавьер Грау-Бове, соавтор исследования.

Авторы считают, что по мере того, как исследователи по всему миру продолжают секвенировать высококачественные геномы разнообразных видов, происхождение нейронов и эволюция других типов клеток станут всё яснее.

"Клетки — фундаментальные единицы жизни, поэтому понимание того, как они возникают или меняются со временем, — ключ к объяснению эволюционной истории жизни. Плакозои, гребневики, губки и другие нетрадиционные модельные животные хранят секреты, которые мы только начинаем раскрывать", — заключает профессор Арнау Себе-Педрос, руководитель исследования.