Οι πρωτεΐνες σήματος του εγκεφάλου εξελίχθηκαν πριν από τα ζώα

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος μπορεί να φαίνεται σαν ένα κορυφαίο επίτευγμα της εξέλιξης, αλλά οι ρίζες αυτού του επιτεύγματος είναι βαθιές:Ο σύγχρονος εγκέφαλος προέκυψε από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια σταδιακής προόδου στην πολυπλοκότητα. Οι εξελικτικοί βιολόγοι έχουν εντοπίσει αυτή την πρόοδο μέσω του κλάδου του γενεαλογικού δέντρου των ζώων που περιλαμβάνει όλα τα πλάσματα με κεντρικό νευρικό σύστημα, τα διμερή, αλλά είναι σαφές ότι θεμελιώδη στοιχεία του νευρικού συστήματος υπήρχαν πολύ νωρίτερα.

Πόσο νωρίτερα έχει γίνει τώρα δραματικά σαφές από μια πρόσφατη ανακάλυψη από μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Έξετερ στο Ηνωμένο Βασίλειο. Διαπίστωσαν ότι οι χημικοί πρόδρομοι δύο σημαντικών νευροδιαβιβαστών, ή μορίων σηματοδότησης που χρησιμοποιούνται στα νευρικά συστήματα, εμφανίζονται σε όλες τις κύριες ομάδες ζώων που προηγήθηκαν των πλασμάτων με κεντρικό νευρικό σύστημα.

Η μεγάλη έκπληξη, ωστόσο, είναι ότι αυτά τα μόρια υπάρχουν και σε μονοκύτταρους συγγενείς ζώων, που ονομάζονται χοανομαστιγώματα. Αυτό το εύρημα δείχνει ότι τα ζωικά νευροπεπτίδια προήλθαν πριν από την εξέλιξη ακόμη και των πρώτων ζώων.

Η ανακάλυψη «λύνει ένα μακροχρόνιο ερώτημα σχετικά με το πότε και πώς εξελίχθηκαν τα ζωικά νευροπεπτίδια», δήλωσε ο Pawel Burkhardt, ο οποίος μελετά την εξελικτική προέλευση των νευρώνων στο Διεθνές Κέντρο Θαλάσσιας Μοριακής Βιολογίας Sars στη Νορβηγία. Υποδεικνύει επίσης ότι τουλάχιστον μερικά από τα μόρια σηματοδότησης που είναι θεμελιώδη για τη λειτουργία του εγκεφάλου μας εξελίχθηκαν αρχικά για έναν εντελώς διαφορετικό σκοπό σε οργανισμούς που αποτελούνταν μόνο από ένα μόνο κύτταρο.

Τα νευρικά συστήματα των ζώων αποτελούνται από νευρώνες που συνδέονται μεταξύ τους, μεταφέροντας πληροφορίες στις συνάψεις με μια ποικιλία μικρών πεπτιδικών νευροδιαβιβαστών. Αυτά τα πεπτίδια είναι η γλώσσα με την οποία οι νευρώνες μιλούν μεταξύ τους.

Αλλά όταν οι εξελικτικοί βιολόγοι προσπάθησαν να συμπεράνουν ποια ζωικά κύτταρα άρχισαν να χρησιμοποιούν αυτή τη γλώσσα, η θολότητα της πρώιμης εξέλιξης των ζώων παρενέβη. Μια ποικιλία μορίων πολύ παρόμοια με τα νευροπεπτίδια παράγονται από σχεδόν όλες τις πρώιμες ομάδες ζώων, συμπεριλαμβανομένων των κτενοφόρων (ζελέδες με χτένα) και των κνιδαριών (μέδουσες, κοράλλια και θαλάσσιες ανεμώνες). Ακόμη και τα εξαιρετικά απλά ζώα που ονομάζονται πλακόζωα, τα οποία δεν έχουν κύτταρα που να μοιάζουν με νευρώνες, παράγουν νευροπεπτίδια. Τα σφουγγάρια φαινόταν να είναι η μόνη εξαίρεση, γι' αυτό και γενικά πιστεύεται ότι τα ζωικά νευροπεπτίδια προέρχονται από τα κνιδάρια ή τα κενοφόρα, αφού τα σφουγγάρια διακλαδίστηκαν από το υπόλοιπο ζωικό δέντρο.

Το πρόβλημα με αυτή τη θεωρία, ωστόσο, είναι ότι οι αλληλουχίες αμινοξέων των νευροπεπτιδίων στις πρώιμες ζωικές ομάδες είναι τόσο διαφορετικές από τα διμερή νευροπεπτίδια που κανένα δεν φαινόταν αρκετά παρόμοιο ώστε να είναι προγονικό τους. Ακόμη χειρότερα, μια μεγάλη ποικιλία άσχετων νευροπεπτιδίων παρασκευάζεται επίσης από πολλά μονοκύτταρα ζώα ή πρωτόζωα. Το εξελικτικό ίχνος για τα νευροπεπτίδια του εγκεφάλου φαινόταν να εξαφανίζεται σε ένα πυκνό κύμα.

Αυτό το αδιέξοδο έσπασε πρόσφατα ο Luis Yañez-Guerra, ο οποίος μελετά την εξελικτική νευροβιολογία στο εργαστήριο του Gáspár Jékely στο Πανεπιστήμιο του Exeter. Για να εντοπίσει την προέλευση και την εξέλιξη διαφόρων ζωικών νευροπεπτιδίων, ο Yañez-Guerra χαρτογράφησε τα νευροπεπτίδια στο εξελικτικό δέντρο των πρώιμων διακλαδώσεων ζώων και των στενών συγγενών τους, των χοανομαστιγωτών.

Από τη διδακτορική του εργασία, είχε ήδη δημιουργήσει μια μεγάλη λίστα ζωικών νευροπεπτιδίων και καθώς άρχισε να τα ψάχνει πιο κάτω από το ζωικό δέντρο, σκόνταψε στη συνειδητοποίηση ότι τα χοανομαστιγώματα έκαναν πρωτεϊνικούς πρόδρομους δύο ώριμων νευροπεπτιδίων, της φοινικίνης και της νεσφατίνης. P>

Η παρουσία τους στα χοανομαστιγώματα ήταν έκπληξη επειδή τα νευροπεπτίδια εμφανίζονται συνήθως στο πλαίσιο των νευρώνων αποστολέα και δέκτη. «Σε έναν μονοκύτταρο οργανισμό, είναι πιο δύσκολο να το καταλάβεις», είπε ο Yañez-Guerra. «Αυτό δείχνει ότι αυτά τα νευρωνικά μόρια άρχισαν να εξελίσσονται ακόμη και πριν από την ανάγκη για αυτή την εκτεταμένη επικοινωνία μεταξύ κυττάρου και κυττάρου. Γι' αυτό ήταν κάπως συγκλονιστικό."

Οι πρόδρομες ενώσεις της φοινικίνης και της νεσφατίνης δεν χρησιμοποιούνται απευθείας ως νευροπεπτίδια από το νευρικό σύστημα. Αντίθετα, αυτά τα μακρά πεπτίδια είναι χημικές πρόδρομες ουσίες που τεμαχίζονται και υποβάλλονται σε επεξεργασία σε μικρότερα μόρια που γίνονται τα λειτουργικά, ώριμα νευροπεπτίδια. Η κρυφή ταυτότητά τους μπορεί να είναι ο λόγος που δεν αναγνωρίστηκαν ως πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι πελάτες νωρίτερα.

Μια περαιτέρω αναζήτηση των δεδομένων γονιδιακής έκφρασης επιβεβαίωσε την άποψη του Yañez-Guerra ότι η φαινισίνη και η νεσφατίνη μπορεί να είναι τα κλειδιά για την κατανόηση της εξέλιξης των νευροπεπτιδίων. Όχι μόνο υπήρχαν τα πρόδρομα πεπτίδια στα χοανομαστιγώματα, αλλά ήταν επίσης παρόντα σε όλες τις πρώιμες ομάδες ζώων — ακόμη και στους σφουγγάρια, όπου είχαν παραβλεφθεί.

Δεδομένου ότι τα πρόδρομα μόρια των χοανομαστιγωτών συνδέονται τόσο άμεσα με αυτά τα νευροπεπτίδια που βρίσκονται σε όλα τα ζώα, ο Burkhardt εξήγησε, "Ο τελευταίος κοινός πρόγονος όλων των ζώων πιθανότατα είχε τουλάχιστον δύο νευροπεπτίδια."

Το ερώτημα που ανακύπτει φυσικά είναι:Τι έκαναν αυτοί οι πρόδρομοι νευροπεπτιδικοί στα χοανομαστιγιακά, αφού δεν θα μπορούσε να είναι νευρωνική σηματοδότηση; Δεν υπάρχει ακόμα οριστική απάντηση. Τα χοανομαστιγώματα φαίνεται να παράγουν το ώριμο νευροπεπτίδιο της φοινικίνης, αλλά όχι το ώριμο νευροπεπτίδιο νεσφατίνης. Είναι πιθανό τα χοανομαστιγώματα να χρησιμοποίησαν τα νευροπεπτίδια της φοινικίνης για να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, για παράδειγμα για να συντονίσουν τον σχηματισμό αποικιών χοανοφλεγκαλωδών.

Αλλά στην εργασία τους, ο Yañez-Guerra και οι συνάδελφοί του προτείνουν επίσης ότι οι πρόδρομοι μπορεί να είναι πολυλειτουργικά μόρια «φεγγαρόφωτος». Επισημαίνουν ότι, με βάση τις πεπτιδικές αλληλουχίες τους, και οι δύο πρόδρομοι είναι πιθανό να είναι εκκρινόμενα μόρια. Σημείωσαν επίσης ότι ενώ ο πρόδρομος της φοινικίνης μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία για να δώσει νευροπεπτίδια, ένα τμήμα του μπορεί επίσης να γίνει «συνοδός» που διασφαλίζει ότι οι πρωτεΐνες διπλώνονται σωστά για να σχηματίσουν ένα κρίσιμο σύμπλεγμα του εξοπλισμού συλλογής ενέργειας των μιτοχονδρίων.

Κατά τη διάρκεια της εξέλιξης των προδρόμων, η πίεση επιλογής για αυτές τις λειτουργίες «φεγγαρόφωτος» μπορεί να ήταν μεγαλύτερος παράγοντας από οποιαδήποτε ανάγκη για διακυτταρική σηματοδότηση. Επί του παρόντος, ο Yañez-Guerra και ο Burkhardt εργάζονται μαζί για να μελετήσουν ένα μεταλλαγμένο χοανομαστίγωμα στο οποίο λείπει ο πρόδρομος της φοινικίνης σε μια προσπάθεια να κατανοήσουν καλύτερα τη λειτουργία του. Ψάχνουν επίσης για μόρια υποδοχέα στα χοανομαστιγιακά που θα λάμβαναν τα νευροπεπτίδια.

Δυστυχώς, το γεγονός ότι αυτά τα δύο πρόδρομα νευροπεπτίδια μοιράζονται όλα τα ζώα δεν απλοποιεί την πρώιμη εξέλιξη των νευρικών συστημάτων. Τον περασμένο Δεκέμβριο, η Mariia Sachkova και οι συνεργάτες της στο Sars Center, σε συνεργασία με τον Burkhardt, ανέφεραν ότι με τη βοήθεια ενός εργαλείου μηχανικής μάθησης, είχαν εντοπίσει πολλά περίεργα νευροπεπτίδια κωδικοποιημένα σε γονιδιώματα κενοφόρων, πολλά από αυτά δεν μοιάζουν με κανένα άλλο στο ζωικό βασίλειο.

Τα νευροπεπτίδια δεν είναι το μοναδικό πράγμα για τα νευρικά συστήματα των κενοφόρων:Οι δομές των νευρωνικών τους δικτύων είναι τόσο ασυνήθιστες που οι ερευνητές υποψιάζονται ότι εξελίχθηκαν ανεξάρτητα από αυτές που παρατηρούνται σε ανθρώπους και άλλα ζώα. Το γιατί τα κενοφόρα κάνουν τα πράγματα διαφορετικά είναι ένα μυστήριο, αλλά είναι σαφές ότι τα νευρικά συστήματα πέρασαν από μια περίοδο τρομερών πειραματισμών και καινοτομιών νωρίς στην εξέλιξή τους — και ότι τουλάχιστον κάποιοι από αυτούς τους πειραματισμούς ξεκίνησαν πριν καν υπάρξουν ζώα.

Διόρθωση:13 Ιουνίου 2022
Το μικρόβιο που απεικονίστηκε αρχικά στην αρχική εικόνα αναγνωρίστηκε λανθασμένα ως χοανομαστίγωμα. Έχει αντικατασταθεί με πραγματικές εικόνες ομάδων χοανομαστιγωτών.