Эволюция синапса
Синапсы — одна из самых узнаваемых черт любой нервной системы. Хотя вопрос об их эволюции долгое время оставался загадкой, сейчас он в основном решен. Вкратце, похоже, что синапсы между нейронами эволюционировали непосредственно из первоначальных межклеточных контактов — адгезионных и других соединений, связывавших примитивные эпителиальные пласты ранних многоклеточных организмов.
История происхождения нервных систем восходит к самым истокам многоклеточности. Многоклеточные организмы эволюционировали через клональное объединение или слияние независимых клеток. Особый интерес здесь представляют хоанофлагеллаты (сестринская группа всех Metazoa) из-за их гибких переходов между одноклеточностью и колониальностью, а также из-за особых клеточных контактов, контролирующих их состояние и полярность.
Вопрос о том, как эволюционировали системы коммуникации нейронов (их нейромедиаторные системы), также в основном решен. В обзоре для Current Biology Детлев Арендт детализирует генезис аппарата пре- и постсинапса, описывая последовательность появления канонических систем малых молекул-нейромедиаторов.
Пресинаптическая сторона подразделяется на три основные части:
- Аппарат высвобождения везикул в активной зоне.
- Зависимые от напряжения кальциевые каналы, преобразующие потенциал действия в кальциевый транзиент.
- Комплексы SNAP/Snare/синаптотагмин, переводящие кальциевый сигнал в слияние везикул.
Эволюционная экспансия синаптотагминов, по-видимому, изначально играла важную роль в кальций-регулируемом транспорте глицеролипидов между мембранами.
Эволюционная летопись также показывает, что набор везикулярных транспортеров пуриновых нуклеотидов присутствовал уже на ранних этапах жизни. С добавлением соответствующих рецепторов, основы примитивных пептидных и нуклеотидных систем передачи сигналов существовали еще до появления животных.
Помимо пептидных и нуклеотидных медиаторов, первым из современных аминокислотных (или производных от аминокислот) нейромедиаторов, по-видимому, является глутамат. Везикулярные транспортеры глутамата семейства SLC17A6-8 присутствуют у всех животных, включая ранних губок и плакозоев.
Примерная хронология появления транспортеров:
АТФ
Глутамат
ГАМК/глицин (VIAAT-SLC32A1, появился у предка книдарий и билатерий)
Ацетилхолин (VAChT-SLC18B3, обнаружен только у билатерий)
Постсинаптическая сторона структурно гораздо более вариабельна. Глутаматергический постсинапс с его сложными шипиками, как правило, сложнее холинергического. Например, рецепторы в двух возбуждающих синапсах (но не в тормозном) напрямую связываются с шаффолдными белками, построенными вокруг специфического для постсинаптической плотности белка Shank.
Похоже, что на каком-то этапе эволюции ранний глутаматергический постсинапс включил древний модуль филоподиальных выростов на основе другого шаффолдного белка IRSp53, чтобы установить контакт с пресинаптической клеткой. Это объединение породило стандартную морфологию дендритного шипика.
Доказательства этой совместной эволюции происходят из филоподиеподобных структур, содержащих IRSp53, в так называемом микроворсинчатом воротничке, обнаруженном в апикальной области хоанофлагеллат и хоаноцитов губок. Реликтовый микроворсинчатый воротничок до сих пор критически сохраняется у Metazoa во многих сенсорных и секреторных эпителиальных клетках.
Позже эволюционировавший холинергический постсинапс, по-видимому, использует тот же шаффолд на основе Shank, что и глутаматергический. В отличие от них, тормозные ГАМК- и глициновые постсинапсы не анкирируют свои ионотропные рецепторы с помощью Shank, Homer или IRSp53. Вместо этого они используют другую интригующую молекулу — гефририн.
Любопытно, что гефририн также играет другую критическую роль: он находится на вершине сложной цепи синтеза молибденового кофактора и встраивает ион Mo в основу молибдоптерина, используемую по крайней мере в четырех человеческих ферментах. Как этот древний белок приобрел свою синаптическую функцию — открытый вопрос.
Изучая множество кадгериновых и интегриновых белков, которые скрепляют синапс, теперь можно увидеть, как жесткое апикально-базальное вертикальное упорядочивание специфических адгезионных, окклюзионных и септатных контактов у самых примитивных существ топологически развернулось в линейные, поляризованные аксо-дендритные домены, которые формируют наши нервные системы сегодня.
Это особенно ярко проявляется в экquisitely структурированных паранодальных границах перехватов Ранвье, которые облегчают быстрое проведение нервных импульсов в миелинизированных сегментах аксонов. Строго говоря, плотные контакты впервые появляются у хордовых и расположены апикальнее адгезионных, в то время как более неуловимые септатные контакты появляются по бокам. Забавно, что септатные контакты были однозначно описаны только у беспозвоночных, за одним исключением — паранодами позвоночных.