Studija u časopisu Cell baca novo svetlo na evoluciju neurona, fokusirajući se na plakozoane, morsku životinju veličine milimetra. Istraživači iz Centra za genomsku regulaciju u Barseloni pronalaze dokaze da su specijalizovane sekretorne ćelije pronađene u ovim jedinstvenim i drevnim stvorenjima možda izazvale neurone kod složenijih životinja.
Plakozoi su male životinje, veličine velikog zrna peska, koje pasu alge i mikrobe koji žive na površini stena i drugih supstrata koji se nalaze u plitkim, toplim morima. Stvorenja u obliku kuglica i palačinki su toliko jednostavna da žive bez ikakvih delova tela ili organa.
Ove životinje, za koje se smatra da su se prvi put pojavile na Zemlji pre oko 800 miliona godina, jedna su od pet glavnih loza životinja pored Ctenophora (žele od češlja), Porifera (spužve), Cnidaria (koralji, morske anemone i meduze) i Bilateria (sve drugih životinja).
Morska stvorenja koordiniraju svoje ponašanje zahvaljujući peptidergijskim ćelijama, posebnim tipovima ćelija koje oslobađaju male peptide koji mogu da usmeravaju kretanje ili hranjenje životinje. Vođeni intrigom o poreklu ovih ćelija, autori studije su koristili niz molekularnih tehnika i računarskih modela da bi razumeli kako su evoluirali tipovi ćelija plakozoa i sastavili kako su naši drevni preci mogli izgledati i funkcionisati.
Istraživači su prvo napravili mapu svih različitih tipova ćelija plakozoa, navodeći njihove karakteristike u četiri različite vrste. Svaki tip ćelije ima specijalizovanu ulogu koja dolazi od određenih skupova gena. Mape ili „ćelijski atlasi“ omogućili su istraživačima da nacrtaju klastere ili „module“ ovih gena. Zatim su napravili mapu regulatornih regiona u DNK koji kontrolišu ove genske module, otkrivajući jasnu sliku o tome šta svaka ćelija radi i kako rade zajedno. Konačno, izvršili su poređenja među vrstama da bi rekonstruisali kako su evoluirali tipovi ćelija. Time-lapse video Trichoplak sp. H2 uzorak posmatran pod mikroskopom. Zasluge: Sebastijan R. Najle/Centro de Regulacion Genomica
Istraživanje je pokazalo da se čini da je devet glavnih tipova ćelija kod plakozoa povezanih sa mnogim tipovima ćelija „između“ koji se menjaju iz jednog tipa u drugi. Ćelije rastu i dele se, održavajući delikatnu ravnotežu tipova ćelija potrebnih da se životinja kreće i jede. Istraživači su takođe pronašli četrnaest različitih tipova peptidergičnih ćelija, ali su se one razlikovale od svih ostalih ćelija, ne pokazujući međutipove ili bilo kakve znake rasta ili deobe.
Iznenađujuće, peptidergične ćelije dele mnogo sličnosti sa neuronima – tipom ćelije koji se pojavio tek mnogo miliona godina kasnije kod naprednijih životinja kao što su i bilateria. Analize među vrstama otkrile su da su ove sličnosti jedinstvene za plakozoe i ne pojavljuju se kod drugih životinja sa ranim grananjem, kao što su sunđeri ili češljasti žele (ktenofori).
Sličnosti između peptidergičnih ćelija i neurona bile su trostruke. Prvo, istraživači su otkrili da se ove plakozojske ćelije razlikuju od populacije progenitornih epitelnih ćelija putem razvojnih signala koji podsećaju na neurogenezu, proces kojim se formiraju novi neuroni, u cnidariji i bilateriji.
Drugo, otkrili su da peptidergične ćelije imaju mnogo genskih modula potrebnih za izgradnju dela neurona koji može da pošalje poruku (presinaptička skela). Međutim, ove ćelije su daleko od toga da budu pravi neuroni, jer im nedostaju komponente za prijem neuronske poruke (postsinaptičke) ili komponente potrebne za provođenje električnih signala.
Konačno, autori su koristili tehnike dubokog učenja kako bi pokazali da tipovi ćelija plakozoa međusobno komuniciraju koristeći sistem u ćelijama gde specifični proteini, nazvani GPCR (G-protein spojeni receptori), otkrivaju spoljne signale i započinju seriju reakcija unutar ćelije. Ovi spoljni signali su posredovani neuropeptidima, hemijskim glasnicima koje neuroni koriste u mnogim različitim fiziološkim procesima.
„Bili smo zapanjeni paralelama“, kaže dr Sebastijan R. Najle, koautor studije i postdoktorski istraživač u Centru za genomsku regulaciju. „Plakozojske peptidergične ćelije imaju mnogo sličnosti sa primitivnim neuronskim ćelijama, čak i ako još uvek nisu tamo. To je kao da gledate evolucionu stepenicu.“
Studija pokazuje da su se gradivni blokovi neurona formirali pre 800 miliona godina kod životinja predaka koje su neupadljivo pasle u plitkim morima drevne Zemlje. Sa evolucione tačke gledišta, rani neuroni su možda počeli kao nešto poput peptidergičnih sekretornih ćelija današnjih plakozoa.
Ove ćelije su komunicirale pomoću neuropeptida, ali su na kraju dobile nove genske module koji su omogućili ćelijama da stvore postsinaptičke skele, formiraju aksone i dendrite i stvore jonske kanale koji generišu brze električne signale — inovacije koje su bile kritične za zoru neurona oko sto miliona godine nakon što su se preci plakozoa prvi put pojavili na Zemlji.
Međutim, potpuna evoluciona priča o nervnim sistemima tek treba da se ispriča. Smatra se da je prvi moderni neuron nastao od zajedničkog pretka cnidarijaca i bilaterana pre oko 650 miliona godina. Pa ipak, ćelije slične neuronima postoje u ktenoforima, iako imaju važne strukturne razlike i nemaju ekspresiju većine gena koji se nalaze u modernim neuronima.
Prisustvo nekih od ovih neuronskih gena u ćelijama plakozoa i njihovo odsustvo u ctenoforima postavlja nova pitanja o evolucionoj putanji neurona.
„Plakozojima nedostaju neuroni, ali sada smo otkrili zapanjujuće molekularne sličnosti sa našim neuralnim ćelijama. Ktenofori imaju neuronske mreže, sa ključnim razlikama i sličnostima sa našim. oni su mozaik, gde svaki komad ima drugačije poreklo? Ovo su otvorena pitanja koja tek treba da se pozabave“, kaže dr Kzavije Grau-Bove, koautor studije i postdoktorski istraživač u Centru za genomsku regulaciju.
Autori studije veruju da će, kako istraživači širom sveta nastavljaju da sekvenciraju visokokvalitetne genome iz različitih vrsta, poreklo neurona i evolucija drugih tipova ćelija postati sve jasnije.
„Ćelije su osnovne jedinice života, tako da je razumevanje kako nastaju ili se menjaju tokom vremena ključno za objašnjenje evolucione priče o životu. Plakozoi, ctenofori, sunđeri i druge netradicionalne modelne životinje kriju tajne koje tek počinjemo da se otključa“, zaključuje profesor istraživanja ICREA Arnau Sebe-Pedros.
