Подобие нейронов и нейромедиаторов нашли в крошечном обитателе океана

Погрузившись в глубины Мирового океана, вы столкнетесь с завораживающим миром, полным необычных существ. Среди них – плакозои, мельчайшие морские животные, которые, возможно, обладают ключом к разгадке одной из самых глубоких загадок природы – зарождению нейронов.

Плакозои(или пластинчатые) настолько малы, что по размеру напоминают крупную песчинку. Но пусть вас не обманывает их миниатюрный вид, ведь они рассказывают историю, старую как время. Не имея органов и отдельных частей тела, эти похожие на шарики существа принадлежат к древнейшему роду, возникшему около 800 млн. лет назад, что делает их одними из самых древних представителей животного мира.

Плакозои скользят по камням, питаясь водорослями и микробами, и ведут на теплом мелководье жизнь, которую многие могут счесть примитивной. Во многом их образ жизни не меняется уже много веков – и в этом, возможно, кроется много уроков, которые могут научить нас нашему очень скромному происхождению.

Нейронная связь

Морские обитатели координируют свои движения и поведение с помощью пептидергических клеток – особых типов клеток, выделяющих небольшие пептиды. Заинтригованные основной формой коммуникации плакозой, ученые из Центра геномного регулирования в Барселоне отправились в путешествие, чтобы выявить типы клеток, которые управляют повседневной деятельностью этих животных. С помощью таких “клеточных атласов” исследователи смогли определить гены, которые определяют уникальную роль каждой клетки.

Ученые обнаружили, что плакозои имеют девять основных типов клеток, которые связаны между собой “промежуточными” типами клеток, способными переходить из одного типа в другой в зависимости от потребностей организма, например, в добыче пищи и передвижении.

История становится еще более захватывающей, если учесть, что среди множества типов клеток исследователи обнаружили пептидергические клетки, имеющие много общего с нейронами, несмотря на то, что плакозои предшествовали нейронам на много миллионов лет. Представьте себе эти клетки в виде моста, соединяющего два острова. С одной стороны находятся простейшие плакозои, а с другой – сложные нейронные клетки, встречающиеся у развитых животных.

Сходство между нейронами и пептидергическими клетками тройное:

1. Процесс развития. И пептидергические клетки, и нейроны возникают из прогениторных эпителиальных клеток. Дифференцировка пептидергических клеток происходит под действием сигналов, сходных с нейрогенезом – образованием новых нейронов, наблюдаемым у билатерий и представителей типа Cnidaria.
2. Способности к передаче сигналов. Пептидергические клетки обладают многими генетическими компонентами, необходимыми для создания части нейрона, отвечающей за передачу сообщений. Однако это еще не совсем нейроны. Им не хватает ключевых частей, необходимых для приема этих сообщений и передачи электрических сигналов.
3. Механизм связи. Как и во многих других типах клеток, в пептидергических клетках используется система, в которой определенные белки, известные как GPCR (рецепторы, связанные с G-белками), улавливают внешние сигналы. Эти сигналы инициируют каскад внутренних реакций в клетке. Интересно, что эти внешние сигналы управляются нейропептидами – теми самыми химическими мессенджерами, которые используются нашими нейронами для множества физиологических процессов.

“Мы были поражены параллелями”, – говорит доктор Себастьян Р. Нажле, соавтор исследования и постдокторский исследователь Центра геномного регулирования. “Пептидергические клетки плакозой имеют много общего с примитивными клетками нейронов, хотя они еще не до конца сформировались. Это похоже на эволюционную ступеньку”.

Почему все это так важно? Понимание эволюционной связи между этими простыми животными и более сложными существами может помочь пролить свет на наше далекое происхождение, в том числе и на корни сознания.

Это открытие ставит интригующий вопрос. Были ли древние предки современных нейронов вначале чем-то похожи на секреторные клетки плакозой? Возможно, эти простые клетки постепенно приобрели свои свойства, превратившись в привычные нам нейроны, что и послужило толчком к зарождению нейронной коммуникации.

Собирание нейронной головоломки

Первое подобие современного нейрона, вероятно, возникло около 650 млн. лет назад у общего предка книдарий (группа водных животных, включающая медуз, кораллы и морских анемонов) и билатерий (животных, характеризующихся двусторонней симметрией, к которым относится подавляющее большинство животных филогенетических групп, включая человека, насекомых и червей). Центральная нервная система возникла позже, что позволило улучшить координацию и усложнить поведение.

Однако многие загадки до сих пор не разгаданы. Подобно головоломке с недостающими кусочками, эволюционный путь нейронов остается незавершенным.

“Почему плакозои, у которых нет нейронов, имеют поразительно схожие молекулярные черты с нашими нейронными клетками? Как происходила эволюция этих клеток? Произошло ли это один или несколько раз?” – задается вопросом доктор Ксавье Грау-Бове, один из ведущих авторов исследования.

До недавнего времени считалось, что нейроны возникли у одного предка. В последнее время исследователи обнаруживают доказательства множественного происхождения нейронов.

Недавнее секвенирование генома гребневиков – небольших морских существ, напоминающих медуз, но имеющих к ним лишь отдаленное отношение, – изменило наше понимание истории эволюции. Эти существа используют нейронную сеть под кожей и скопление нейронов, напоминающих мозг, для выполнения различных функций, в том числе для захвата пищи. Полученные в 2013 году геномные данные позволили предположить, что гребневики расходятся по эволюционному древу раньше медуз и даже раньше губок, лишенных нейронов. Это означает, что либо губки со временем утратили нейроны, либо нейроны дважды эволюционировали независимо друг от друга.

С увеличением числа секвенированных геномов самых разных видов завеса над эволюционной историей нейронов и других клеток может быть вскоре приоткрыта.

“Клетки – это фундаментальные единицы жизни, поэтому понимание того, как они возникают или изменяются с течением времени, является ключевым для объяснения эволюционной истории жизни. Плакозои, ктенофоры, губки и другие нетрадиционные модельные животные таят в себе секреты, которые мы только начинаем раскрывать”, – сказал сооавтор Арнау Себе-Педрос.

Sebastián R. Najle, Xavier Grau-Bové et al. “Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution”. Cell, 2023.
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.027