от Center for Genomic Regulation. Источник: https://phys.org/news/2023-09-tiny-sea-creatures-reveal-ancient.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter
на фото: Confocal microscopy image of nuclei, colored by depth, of Trichoplax sp. H2, one of the four species of placozoan for which the authors of the study created a cell atlas for. Credit: Sebastian R. Najle/Centro de Regulación Genómica / Конфокальное микроскопическое изображение ядер, окрашенных по глубине, Trichoplax sp. H2, одного из четырех видов плакозоан, для которых авторы исследования создали атлас клеток. Фото: Себастьян Р. Найл/Центр регулирования в Генуе
Исследование, опубликованное в журнале Cell, проливает новый свет на эволюцию нейронов, фокусируясь на плакозоях, морских животных миллиметрового размера. Исследователи из Центра геномной регуляции в Барселоне нашли доказательства того, что специализированные секреторные клетки, обнаруженные у этих уникальных и древних существ, возможно, дали начало нейронам у более сложных животных.
Плакозои — это крошечные животные размером с крупную песчинку, которые питаются водорослями и микробами, живущими на поверхности скал и других субстратов, встречающихся в мелководных теплых морях. Существа, похожие на капли и блинчики, настолько просты, что живут без каких-либо частей тела или органов. Эти животные, которые, как считается, впервые появились на Земле около 800 миллионов лет назад, являются одной из пяти основных линий животных наряду с гребневиками (гребневидные желе), пориферами (губки), книдариями (кораллы, актинии и медузы) и билатериями (все остальные животные).
Морские обитатели координируют свое поведение благодаря пептидергическим клеткам, особым типам клеток, которые выделяют небольшие пептиды, которые могут направлять движение животного или его питание. Движимые интригой происхождения этих клеток, авторы исследования использовали множество молекулярных методов и вычислительных моделей, чтобы понять, как эволюционировали типы клеток плакозоидов, и собрать воедино то, как могли выглядеть и функционировать наши древние предки.
Реконструкция древних типов клеток
Сначала исследователи составили карту всех различных типов клеток плакозоидов, указав их характеристики у четырех различных видов. Каждый тип клеток играет специализированную роль, которая обусловлена определенными наборами генов. Карты или «клеточные атласы» позволили исследователям наметить кластеры или «модули» этих генов. Затем они создали карту регуляторных областей ДНК, которые управляют этими генными модулями, раскрывая четкую картину того, что делает каждая клетка и как они работают вместе. Наконец, они провели межвидовые сравнения, чтобы реконструировать, как эволюционировали типы клеток.
Time-lapse video of a Trichoplax sp. H2 specimen observed under the microscope. Credit: Sebastian R. Najle/Centro de Regulación Genómica / Замедленная видеозапись образца Trichoplax sp. H2, наблюдаемого под микроскопом. Фото: Себастьян Р. Найл/Центр регулирования в Генуе
Исследование показало, что основные девять типов клеток у плакозоидов, по-видимому, связаны множеством «промежуточных» типов клеток, которые переходят от одного типа к другому. Клетки растут и делятся, поддерживая тонкий баланс типов клеток, необходимый животному для передвижения и приема пищи. Исследователи также обнаружили четырнадцать различных типов пептидергических клеток, но они отличались от всех других клеток, не проявляя промежуточных типов или каких-либо признаков роста или деления. Удивительно, но пептидергические клетки имели много общего с нейронами — типом клеток, который появился только много миллионов лет спустя у более продвинутых животных, таких как билатерии. Межвидовой анализ показал, что эти сходства присущи только плакозоям и не проявляются у других животных с ранним ветвлением, таких как губки или гребенчатые моллюски (гребневики).
Эволюционные ступеньки
Сходство между пептидергическими клетками и нейронами было тройственным.
Во-первых, исследователи обнаружили, что эти плакозойные клетки дифференцируются от популяции эпителиальных клеток-предшественников с помощью сигналов развития, которые напоминают нейрогенез, процесс, посредством которого формируются новые нейроны, у cnidaria и bilateria.
Во-вторых, они обнаружили, что пептидергические клетки содержат множество генных модулей, необходимых для построения части нейрона, которая может посылать 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 использовали методы глубокого обучения, чтобы показать, что типы клеток плакозоидов взаимодействуют друг с другом с помощью системы в клетках, где специфические белки, называемые GPCR (рецепторы, связанные с G-белком), обнаруживают внешние сигналы и запускают серию реакций внутри клетки. Эти внешние сигналы опосредуются нейропептидами, химическими посредниками, используемыми нейронами во многих различных физиологических процессах.
«Мы были поражены параллелями», — говорит доктор Себастьян Р. Найл, соавтор исследования и научный сотрудник Центра геномной регуляции. «Пептидергические клетки плакозоа имеют много общего с примитивными нейрональными клетками, даже если они еще не совсем сформировались. Это все равно что смотреть на эволюционную ступеньку».
Рассвет нейрона
Исследование показывает, что строительные блоки нейрона формировались 800 миллионов лет назад у предков животных, незаметно пасущихся в мелководных морях древней Земли. С эволюционной точки зрения, ранние нейроны, возможно, возникли как нечто вроде пептидергических секреторных клеток современных плакозоидов. 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 нейрона примерно через сто миллионов лет после того, как предки плакозоидов впервые появились на Земле. Однако полную эволюционную историю нервных систем еще предстоит рассказать. Считается, что первый современный нейрон возник у общего предка книдариев и билатериан около 650 миллионов лет назад. И все же нейроподобные 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 плакозоидов и их отсутствие у гребневиков поднимает новые вопросы об эволюционной траектории нейронов.
«У плакозоидов отсутствуют нейроны, но теперь мы обнаружили поразительное молекулярное сходство с нашими нервными клетками. Гребневики обладают нейронными сетями, имеющими ключевые отличия и сходства с нашими собственными. Эволюционировали ли нейроны один раз, а затем расходились, или более одного раза, параллельно? Являются ли они мозаикой, где каждый фрагмент имеет разное происхождение? Это открытые вопросы, которые еще предстоит решить», — говорит доктор Ксавье Грау-Бове, соавтор исследования и научный сотрудник Центра геномной регуляции.
Авторы исследования полагают, что по мере того, как исследователи по всему миру будут продолжать секвенировать высококачественные геномы различных видов, происхождение нейронов и эволюция других типов клеток будут становиться все более ясными.
«Клетки являются фундаментальными единицами жизни, поэтому понимание того, как они возникают или изменяются с течением времени, является ключом к объяснению эволюционной истории жизни. Плакозоиды, гребневики, губки и другие нетрадиционные модельные животные таят в себе секреты, которые мы только начинаем раскрывать», — заключает профессор исследований ICREA Арнау Себе-Педрос, автор-корреспондент исследования и руководитель младшей группы в Центре геномной регуляции.
More information: Arnau Sebe-Pedros, Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution, Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.08.027. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00917-0
Journal information: Cell
Provided by Center for Genomic Regulation