Крошечные морские существа раскрывают загадку происхождения нейронов

Новое исследование позволило получить показательные данные об эволюции нейронов. Авторы работы, опубликованной в Cell, сосредоточили внимание на организмах  Placozoa, которые являются одним из самых простых типов животных. Пластинчатые (Placozoa) — это маленькие, плоские и прозрачные существа размером около миллиметра, они обитают в морских водах. 

Научная группа из Центра геномной регуляции в Барселоне продемонстрировала, что специализированные секреторные клетки, присутствующие у этих уникальных существ, могли дать начало нейронам у более сложных животных.

Пластинчатые не имеют частей тела или органов. Считается, что они появились на Земле около 800 миллионов лет назад и являются одной из пяти основных линий животных наряду с гребневиками, губками, книдариями (кораллами, морскими анемонами и медузами) и билатериями (всеми другими животными, включая человека).

Placozoa координируют свое поведение благодаря пептидергическим клеткам, которые выделяют небольшие пептиды, позволяющие координировать движение или кормление животного. Движимые любопытством относительно происхождения этих клеток, авторы исследования использовали ряд молекулярных методов и компьютерных моделей, чтобы понять, как развивались различные типы клеток пластинчатых, и реконструировать то, как могли выглядеть наши предки и как они могли функционировать.

Сначала команда создала карту всех типов клеток пластинчатых, отметив их характеристики у четырех разных видов. Каждый тип клеток выполняет особую роль, которая обусловлена ​​совместной экспрессией определенных генов. Эти карты или «клеточные атласы» позволяли отслеживать функциональные кластеры или «модули» генов. 

Затем ученые создали карту регуляторных областей ДНК, которые контролируют совместную экспрессию этих генов. Вместе это позволило получить представление о том, что делает каждая клетка и как они работают вместе. Наконец, исследователи сравнили виды, чтобы реконструировать эволюцию типов клеток.

Исследование показывает, что девять основных типов клеток пластинчатых, по-видимому, связаны многими «промежуточными» типами клеток, которые изменяются от одного типа к другому. Клетки растут и делятся, поддерживая хрупкий баланс типов клеток, необходимый животному для передвижения и питания. Это контрастирует с существованием хорошо разделенных клеточных линий, которые есть в человеческом теле. 

Также ученые обнаружили четырнадцать различных типов пептидергических клеток, но они отличались от всех других клеток и не демонстрировали никаких промежуточных типов или признаков роста или деления. Удивительно, но пептидергические клетки имели много общего с нейронами — типом клеток, который, как полагают, появился миллионы лет спустя у самого недавнего общего предка билатерий и книдарий. Сравнительный анализ между видами показал, что эти сходства уникальны для пластинчатых и не проявляются у других животных с более ранним ветвлением, таких как губки или гребневики.

Сходство между пептидергическими клетками и нейронами тройное. Во-первых, исследование показывает, что эти клетки дифференцируются из популяции эпителиальных клеток-предшественников посредством сигналов развития, которые напоминают нейрогенез — процесс, при котором формируются новые нейроны у книдарий и билатерий.

Во-вторых, выяснилось, что пептидергические клетки имеют множество генных модулей, необходимых для построения той части нейрона, которая способна отправлять сигнал (пресинаптический комплекс). Однако эти клетки далеки от того, чтобы быть настоящими нейронами, поскольку в них отсутствуют компоненты для приема нейронного сообщения (постсинаптический комплекс) или компоненты, необходимые для проведения электрических сигналов.

Наконец, методы глубокого обучения показали, что типы клеток пластинчатых общаются друг с другом, используя внутриклеточную систему, в которой специфические белки, называемые GPCR (рецепторы, связанные с G-белками), обнаруживают внешние сигналы и инициируют серию реакции внутри клетки. Эти внешние сигналы передаются нейропептидами .

Таким образом, пептергические клетки Placozoa имеют много общего с нейронными клетками, хотя это явно не так. Это похоже на наблюдение промежуточного этапа в эволюции нейронов.

Таким образом, основные компоненты нейрона начали формироваться 800 миллионов лет назад у древних животных, которые обитали в мелководных морях древней Земли. С эволюционной точки зрения первые нейроны, вероятно, возникли как нечто похожее на пептидергические секреторные клетки современных Placozoa. Эти клетки в конечном итоге приобрели новые генетические модули, которые позволили им создавать постсинаптический каркас, формировать аксоны и дендриты и создавать ионные каналы, генерирующие быстрые электрические сигналы. Эти инновации и сыграли решающую роль в зарождении нейронов примерно через сто миллионов лет после того, как предки Placozoa впервые появились на Земле. Однако полную историю эволюции нервных систем еще предстоит изучить.