Τα γονίδια του σφουγγαριού υποδηλώνουν την προέλευση των νευρώνων και άλλων κυττάρων
Όταν αναλύθηκε η αλληλουχία των πρώτων γονιδιωμάτων σφουγγαριών στις αρχές της δεκαετίας του 2000, οι ερευνητές ανακάλυψαν έκπληκτοι ότι τα σφουγγάρια όχι μόνο έχουν περίπου τόσα γονίδια όσα οι άνθρωποι και άλλα πολύπλοκα πλάσματα, αλλά έχουν και πολλά από τα ίδια γονίδια. Τα σφουγγάρια είναι από τις πρώτες διακλαδώσεις στο εξελικτικό δέντρο της ζωικής ζωής. Τα απλά σώματά τους δεν έχουν καν ένα σχέδιο συμμετρίας ή έναν καθορισμένο αριθμό τμημάτων. Η παρουσία αυτών των γονιδίων υπονοούσε ότι οι γενετικές πληροφορίες για λειτουργίες όπως η συστολή των μυών και η διαφοροποίηση των νευρώνων ήταν πολύ πιο αρχαία από τους μύες ή τα ίδια τα νευρικά συστήματα.
Αλλά τι έκαναν αυτά τα γονίδια σε ένα ζώο χωρίς νευρώνες ή μύες; Οι ερευνητές μπορούσαν μόνο να κάνουν μορφωμένες εικασίες και να διερευνήσουν τα πρότυπα έκφρασης σε επίπονη βάση γονίδιο προς γονίδιο.
Σήμερα, ωστόσο, μια νέα μελέτη που εκμεταλλεύεται τις ραγδαίες προόδους στις γονιδιωματικές τεχνολογίες έχει φωτίσει όπου περίπου 26.000 γονίδια εκφράζονται στο σφουγγάρι του γλυκού νερού Spongilla . Αυτός ο άτλαντας γονιδιακής έκφρασης αποκαλύπτει τη γενετική διαμόρφωση των τύπων κυττάρων σε όλο το σώμα του σπόγγου, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων τύπων κυττάρων που δεν έχουν περιγραφεί ποτέ πριν. Προσφέρει σημαντικές συμβουλές για το πώς εξελίχθηκαν αρχικά οι τύποι κυττάρων και μπορεί να βοηθήσει να διευθετηθεί μια μακρά, ακανθώδης συζήτηση σχετικά με το εάν οι νευρώνες εξελίχθηκαν μόνο μία ή πολλές φορές. Η μελέτη εμφανίζεται στο τελευταίο τεύχος του Science .
Αυτή η φιλόδοξη εργασία «ξεπερνά» την προηγούμενη εργασία, σύμφωνα με τον Scott Nichols, ο οποίος μελετά την εξέλιξη των σφουγγαριών στο Πανεπιστήμιο του Ντένβερ. «Αυτό που είναι εξαιρετικό σε αυτό είναι ότι έχουν προκύψει πραγματικά συναρπαστικές υποθέσεις από αυτό το σύνολο δεδομένων», είπε. "Αλλά θα τονίσω έντονα ότι πρέπει να δοκιμαστούν πειραματικά."
Η πιο συναρπαστική υπόθεση αφορά τα κύτταρα μέσα στους πεπτικούς θαλάμους του σφουγγαριού. Οι θάλαμοι είναι επενδεδυμένοι με διακριτικά κύτταρα που ονομάζονται χοανοκύτταρα, τα οποία έχουν ένα κολάρο από προεξοχές που μοιάζουν με δάχτυλα (μικρολάχνες) και ένα μαστίγιο. Τα χοανοκύτταρα χτυπούν τα μαστίγια τους για να ρυθμίσουν τη ροή του νερού μέσω του πεπτικού θαλάμου, ενώ τρέφονται με μικρά σωματίδια και υπολείμματα που μεταφέρει το νερό. Οι πεπτικοί θάλαμοι περιέχουν επίσης κινητά «νευροειδή» κύτταρα που είχαν περιγραφεί πριν από χρόνια, αν και η ταυτότητα και η λειτουργία τους ήταν μυστηριώδεις.
Χρησιμοποιώντας τεχνολογία αλληλουχίας μονοκυττάρου RNA υψηλής απόδοσης, η ομάδα του Detlev Arendt στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στη Χαϊδελβέργη ανακάλυψε ότι τα χοανοκύτταρα εκφράζουν γονίδια που στους νευρώνες παράγουν το μετασυναπτικό «ικρίωμα» που εμπλέκεται στη λήψη και απόκριση σε νευροδιαβιβαστές. Ανακάλυψαν επίσης ότι τα κινητά νευροειδή κύτταρα εκφράζουν μια σειρά γονιδίων που είναι τυπικά ενεργά στον προσυναπτικό βολβό ενός νευρώνα. Αυτό οδήγησε τους ερευνητές να υποθέσουν ότι τα νευροειδή κύτταρα μπορεί να μιλούν στα χοανοκύτταρα και ότι η δουλειά των νευροειδών κυττάρων μπορεί να είναι να περιπολούν το μικροβιακό περιβάλλον στον πεπτικό θάλαμο και να ρυθμίζουν τις συμπεριφορές διατροφής των χοανοκυττάρων ανάλογα.
Όταν ο Jacob Musser, ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο εργαστήριο της Arendt που οδήγησε το έργο, έβαψε το σφουγγάρι για να δει πού ακριβώς εκφράζονταν τα προ- και μετασυναπτικά γονίδια, είδε ότι τα νευροειδή κύτταρα που εκφράζουν προσυναπτικά γονίδια ήταν πράγματι κοντά στα choanocytes που εκφράζουν μετασυναπτικά γονίδια. . Στην πραγματικότητα, τα νευροειδή κύτταρα άπλωσαν βραχίονες ψευδόποδων που φαινόταν να αγγίζουν τα χοανοκύτταρα.
«Αυτό ήταν προφανώς πραγματικά δελεαστικό», είπε ο Μουσέρ. "Αλλά δεν μπορείτε πραγματικά να πείτε τι συμβαίνει."
Για να αποκτήσουν μια πιο λεπτομερή εικόνα του τι έκαναν τα κύτταρα, ο Musser και η ομάδα χρησιμοποίησαν εστιασμένη ηλεκτρονική μικροσκοπία δέσμης ιόντων στην εγκατάσταση συγχρονών ακτίνων Χ στο Αμβούργο για να λάβουν τρισδιάστατες εικόνες πολύ υψηλής ανάλυσης των κυττάρων, οι οποίες θα μπορούσαν να διακρίνουν τα κυτταρικά χαρακτηριστικά όπως μικρό όσο 15 νανόμετρα, περίπου το μέγεθος πολλών διπλωμένων πρωτεϊνών. Είδαν ότι οι προβολές από τα νευροειδή κύτταρα κάλυπταν το κολάρο και το μαστίγιο των μικρολάχνων των χοανοκυττάρων και ότι τα νευροειδή κύτταρα συγκρατούσαν κυστίδια όπως αυτά στον προσυναπτικό βολβό ενός νευρώνα. Υποψιάζονται ότι τα κυστίδια πιθανότατα απελευθερώνουν γλουταμικό, έναν νευροδιαβιβαστή.
Όμως, όσο δελεαστικό κι αν είναι να φανταστεί κανείς ότι αυτά τα σφουγγάρια έχουν πρωτόγονες συνάψεις, οι ερευνητές δεν παρατήρησαν ποτέ άμεσες, σταθερές επαφές μεταξύ των νευροειδών κυττάρων και των χοανοκυττάρων. Αντίθετα, οι συνδέσεις μεταξύ των κυττάρων φαίνεται να είναι παροδικές. Επιπλέον, το DNA των σφουγγαριών στερείται γονιδίων για ορισμένα από τα βασικά κανάλια ιόντων που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός δυναμικού δράσης — το αιχμηρό ηλεκτρικό σήμα που διεγείρει την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών στους νευρώνες.
Ωστόσο, επειδή πάντα θεωρούνταν ότι τα σφουγγάρια στερούνται οτιδήποτε έστω και παρόμοιο με νευρικό σύστημα, η πρόταση ότι έχουν κυτταρικούς μηχανισμούς με βαθιά εξελικτική σχέση με τους νευρώνες «είναι μια συναρπαστική πορεία προς τα εμπρός για τη σύνδεση της βιολογίας του σπόγγου με τη βιολογία των νευρικών κυττάρων, για την κατανόηση η σηματοδότηση προερχόταν καθόλου από ζώα», είπε ο Nichols.
Η προέλευση των νευρώνων και των νευρικών συστημάτων - και συγκεκριμένα, το ερώτημα εάν οι νευρώνες προέκυψαν μία ή πολλές φορές - είναι ένα από τα πιο επίμαχα θέματα στον τομέα της εξελικτικής αναπτυξιακής βιολογίας, σύμφωνα με τη Maria Antonietta Tosches, η οποία μελετά την εξέλιξη των κυττάρων τύπους σε σπονδυλωτά στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια και προηγουμένως εκπαιδευμένοι στο εργαστήριο της Arendt. Τα ευρήματα από αυτή τη νέα μελέτη φαίνεται να στηρίζονται σε αυτό το μυστήριο, επειδή οι ερευνητές βρήκαν προσυναπτικά γονίδια που εκφράζονται σε νευροειδή κύτταρα και μετασυναπτικά γονίδια που εκφράζονται σε χοανοκύτταρα. (Και τα δύο σύνολα γονιδίων ήταν ενεργά και σε άλλους τύπους κυττάρων.) Αυτό το γεγονός υποδηλώνει ότι οι γενετικές ενότητες που είναι υπεύθυνες τόσο για τα άκρα αποστολής όσο και για τη λήψη των συστημάτων επικοινωνίας κυττάρου-κυττάρου αναπτύχθηκαν σε διάφορους τύπους προγονικών ζωικών κυττάρων. Επομένως, οι νευρώνες θα μπορούσαν να έχουν εξελιχθεί επανειλημμένα και ανεξάρτητα μέσω διαφορετικών εφαρμογών αυτών των γονιδιακών μονάδων, είπε ο Tosches.
Στην πραγματικότητα, πολλά πολυλειτουργικά κύτταρα σε σφουγγάρια εκφράζουν μονάδες γονιδίων που συνήθως συνδέονται με εξειδικευμένα κύτταρα σε πιο πολύπλοκα ζώα όπως τα σπονδυλωτά. Για παράδειγμα, τα νευροειδή κύτταρα του σπόγγου όχι μόνο εκφράζουν κάποιους από τους προσυναπτικούς μηχανισμούς των νευρώνων, αλλά εκφράζουν επίσης και γονίδια του ανοσοποιητικού. (Είναι πιθανό ότι εάν τα νευροειδή κύτταρα παρακολουθούν το μικροβιακό περιεχόμενο των πεπτικών θαλάμων για σπόγγους, αυτά τα γονίδια του ανοσοποιητικού βοηθούν σε αυτόν τον ρόλο.) Τα σφουγγάρια έχουν επίσης κύτταρα που ονομάζονται πινακοκύτταρα που συστέλλονται από κοινού όπως τα μυϊκά κύτταρα για να πιέσουν το ζώο και να απομακρύνουν τα απόβλητα ή τα ανεπιθύμητα υπολείμματα; Τα πινακοκύτταρα έχουν κάποιο αισθητήριο μηχανισμό που ανταποκρίνεται στο μονοξείδιο του αζώτου, ένα αγγειοδιασταλτικό.
«Το μονοξείδιο του αζώτου είναι αυτό που χαλαρώνει τους λείους μυς μας στα αιμοφόρα αγγεία μας, οπότε όταν τα αιμοφόρα αγγεία μας διαστέλλονται, αυτό είναι το μονοξείδιο του αζώτου που προκαλεί αυτή τη χαλάρωση», είπε ο Musser. «Και δείξαμε στην πραγματικότητα μέσω πειραμάτων στο χαρτί ότι το μονοξείδιο του αζώτου ρυθμίζει επίσης τις συσπάσεις σε αυτό το σφουγγάρι». Όπως το γλουταμινικό, το μονοξείδιο του αζώτου μπορεί να ήταν μέρος ενός πρώιμου μηχανισμού σηματοδότησης για τον συντονισμό πρωτόγονων συμπεριφορών στο σφουγγάρι, προτείνει.
«Τα δεδομένα μας είναι πολύ συνεπή με αυτήν την αντίληψη ότι ένας μεγάλος αριθμός σημαντικών λειτουργικών τμημάτων μηχανημάτων υπήρχαν νωρίς στην εξέλιξη των ζώων», είπε ο Musser. «Και πολλή πρώιμη εξέλιξη των ζώων είχε να κάνει με την έναρξη της υποδιαίρεσης σε διαφορετικά κύτταρα. Αλλά πιθανότατα αυτοί οι πρώτοι τύποι κυττάρων ήταν πολύ πολυλειτουργικοί και έπρεπε να κάνουν πολλά πράγματα». Τα πρώτα ζωικά κύτταρα, όπως και οι στενοί συγγενείς τους, τα πρωτόζωα, πιθανότατα έπρεπε να είναι κυψελωτά μαχαίρια ελβετικού στρατού. Καθώς τα πολυκύτταρα ζώα εξελίχθηκαν, τα κύτταρά τους μπορεί να έχουν αναλάβει διαφορετικούς ρόλους, ένας καταμερισμός της εργασίας που μπορεί να οδήγησε σε πιο εξειδικευμένους κυτταρικούς τύπους. Αλλά διαφορετικές γενεαλογίες ζώων μπορεί να έχουν μοιράσει τα πράγματα διαφορετικά και σε διαφορετικούς βαθμούς.
Εάν η ανάμειξη και η αντιστοίχιση γενετικών μονάδων ήταν ένα κρίσιμο θέμα της πρώιμης εξέλιξης των ζώων, τότε η σύγκριση της διάταξης και της έκφρασης αυτών των μονάδων σε διαφορετικά είδη θα μπορούσε να μας πει για την ιστορία τους - και για πιθανούς περιορισμούς σχετικά με το πόσο τυχαία μπορούν να ανακατευτούν. Ένας ερευνητής που αναζητά αυτές τις απαντήσεις είναι ο Arnau Sebé-Pedrós, ο οποίος μελετά την εξέλιξη του κυτταρικού τύπου στο Κέντρο Γονιδιωματικής Ρύθμισης στη Βαρκελώνη και ο οποίος δημοσίευσε τους πρώτους άτλαντες κυτταρικών τύπων σε σφουγγάρια, πλακόζωα και ζελέ χτενίσματος το 2018.
Ο Sebé-Pedrós πιστεύει ότι η χωρική διαμόρφωση των γονιδίων κατά μήκος των χρωμοσωμάτων θα μπορούσε να είναι αποκαλυπτική επειδή τα γονίδια που βρίσκονται μαζί μπορούν να μοιράζονται ρυθμιστικό μηχανισμό. «Είμαι απολύτως συγκλονισμένος από τον βαθμό διατήρησης των γονιδιακών τάξεων στα γονιδιώματα των ζώων», είπε. Υποψιάζεται ότι η ανάγκη συν-ρύθμισης συνόλων λειτουργικά σχετιζόμενων γονιδίων τα κρατά στην ίδια χρωμοσωμική γειτονιά.
Οι επιστήμονες είναι ακόμη στις πρώτες μέρες της εκμάθησης του τρόπου με τον οποίο οι κυτταρικοί τύποι εξελίσσονται και σχετίζονται μεταξύ τους. Αλλά όσο σημαντικό είναι να αποσαφηνιστεί η λασπώδης προέλευση της εξέλιξης των ζώων, οι άτλαντες σπογγαλιευτικών κυττάρων συμβάλλουν επίσης σημαντικά, αποκαλύπτοντας τις δυνατότητες στη βιολογία των ζωικών κυττάρων. «Δεν είναι μόνο σημαντικό για εμάς να κατανοήσουμε την ίδια την προέλευση των ζώων», είπε ο Sebé-Pedrós, «αλλά και να κατανοήσουμε πράγματα που μπορεί να διαφέρουν ριζικά από οτιδήποτε άλλο γνωρίζουμε για άλλα ζώα».
