Itt a hatalmas felfedezés: az egyik legnagyobb evolúciós rejtélyre kaphatunk választ

Asztrociták számítógépes grafikával készült képe

A plakozoonok vagy korongállatkák apró, egyszerű lények, amelyek valószínűleg nagyon hasonlítanak a legelső állatokra. Kutatók most azonosítottak bennük egy olyan sejttípust, amelyből az idegsejtek alakulhattak ki az evolúció során.

A Cell folyóiratban megjelent tanulmány szerzői a korongállatkáknak nevezett milliméteres tengeri lények vizsgálata alapján új részleteket derítettek fel az idegsejtek evolúciójával kapcsolatban.

A barcelonai Genomszabályozási Központ kutatói bizonyítékot találtak arra, hogy az ezekben az ősi, sajátos lényekben található specializált kiválasztó sejtek lehetnek az összetettebb állatok idegsejtjeinek az előalakjai.

A nagyobbacska homokszem méretű korongállatkák a sekély, meleg tengerek aljzatán és sziklafelületein élő algákat és egyéb mikrobákat legelik. Kajla palacsinta alakú, lapos testük olyan egyszerű szerveződésű, hogy valódi testrészek és szervek nem is különíthetők el benne. Őseik mintegy 800 millió éve jelentek meg a Földön, és magányos hírmondóként egyedül képviselik a ma is élő állatok öt nagy evolúciós ágának egyikét a bordásmedúzák, a szivacsok, a csalánozók és a kétoldali szimmetriával rendelkező összes többi állat mellett.

A korongállatkák az ún. peptiderg sejtjeik segítségével hangolják össze viselkedésüket. Ezek a specializált sejtek kisméretű peptideket választanak el, amelyek az állat mozgását és táplálkozását szabályozzák. E sejtek eredetének titkait kutatva a tanulmány szerzői molekuláris vizsgálómódszereket és számítógépes modelleket vetettek be, hogy fényt derítsenek a plakozoonok egyes sejttípusainak evolúciós gyökereire, és megpróbálják felvázolni, hogyan nézhetett ki és működhetett az a kezdetleges lény, amelyből ők is és mi is kifejlődtünk.

Idegsejtek Forrás: Science Photo Library via AFP/THOM LEACH / SCIENCE PHOTO LIBRARY/Thom Leach / Science Photo Libra

Mesélő sejtatlaszok

A tudósok mindenekelőtt elkészítették a plakozoon sejttípusok teljes térképét, és négy különböző faj tanulmányozása alapján katalogizálták azok tulajdonságait. Minden sejtféleségnek megvan a maga sajátos feladata, melynek ellátásában gének egy meghatározott csoportjának kifejezése segíti. E térképek, más néven „sejtatlaszok" révén lehetővé vált a géneket funkcionális együttesekbe, modulokba csoportosítani. Ezután elkészítették azon szabályozó DNS-szakaszok térképét, amelyek ezeknek a moduloknak a kifejeződését irányítják. Mindezek nyomán sikerült tiszta képet nyerni arról, melyik sejttípusnak mi a feladata, és miként működnek együtt egymással. Végezetül fajok közötti összehasonlításokat hajtottak végre, hogy rekonstruálják valamennyi sejttípus evolúcióját.

A kutatás tanúsága szerint a korongállatkák a kilenc fő sejttípusuk mellett számos átmeneti sejtet is tartalmaznak, amelyek képesek átalakulni egyik fő típusból a másikba. Ezek a sejtek növekednek és osztódnak, így tartva fenn az állat mozgásához és táplálkozásához szükséges kényes egyensúlyt. A tudósok azonban ezek mellett nem kevesebb mint tizennégy különböző peptiderg sejttípust is találtak, amelyek élesen különböznek az előbbi kilenctől, nem kötik őket össze átmeneti típusok, és növekedésre-osztódásra képtelenek.

A meglepetés akkor jött, amikor kiderült, hogy a peptiderg sejtek számos vonatkozásban hasonlóságot mutatnak az idegsejtekkel, holott ez utóbbiak csak sok-sok évmillióval később, a jóval komplexebb, kétoldali szimmetriával rendelkező állatokban bukkantak fel.

A fajközi összehasonlító vizsgálatok felderítették, hogy e hasonlóság kimondottan a korongállatok sajátja, és a többi, az állatvilág törzsfájáról korán leágazott csoportban, például a szivacsokban és a bordásmedúzákban nem lelhető fel.

Plakozoon mikroszkópos képe Sebastian R. Najle/Centro de Regulación Genómica

Mit találtak pontosan a kutatók?

A peptiderg sejtek és az idegsejtek közötti hasonlóságoknak három főbb vonulatát azonosították. A kutatók először is megállapították, hogy a peptiderg sejtek olyan egyedfejlődési jelzések hatására differenciálódnak hámsejt-előalakjaikból, amilyenek a csalánozókban és a magasabbrendű állatokban a neurogenezis, vagyis az idegsejtképződés folyamatát jellemzik. Másodsorban, a peptiderg sejtek több olyan génmodullal rendelkeznek, amelyek az idegsejtek jelküldő gépezetének, az ún. preszinaptikus állványzatnak a kialakításáért felelősek. Mindemellett a peptiderg sejtek azért még távolról sem neuronok, hiszen hiányoznak belőlük a jelfogadó (posztszinaptikus) egység komponensei, illetve az elektromos impulzusok továbbításához szükséges apparátus összetevői.

Harmadsorban, a szerzők mélytanuló algoritmusok segítségével kimutatták, hogy a plakozoonok sejttípusai a GPCR-nek (G-protein-coupled receptor, G-fehérjével kapcsolt receptor) nevezett fehérjék rendszere révén kommunikálnak egymással. Ezek a fehérjék a külső jelek érzékelésében és a sejt belseje felé való továbbításában játszanak kulcsszerepet. A plakozoonok GPCR-ei által fogadott jelzések olyan neuropeptidek, idegrendszeri peptid-jelmolekulák, amelyeket az idegsejtek alkalmaznak egy sor élettani folyamat szabályozására.

„Ezek a párhuzamosságok lenyűgöztek bennünket – nyilatkozta Sebastián R. Najle, a Genomszabályozási Központ posztdoktor kutatója és a cikk egyik első szerzője. – A korongállatkák peptiderg sejtjei sokban hasonlítanak a primitív idegsejtekre, bár kétségtelenül nem azok még.

Úgy tűnik, egy evolúciós lépcsőfokot találtunk."

A tanulmány megmutatja, hogy az idegsejtek építőkövei már 800 millió évvel ezelőtt készen álltak ezekben a kezdetleges állatkákban, amelyek észrevétlen legelésztek az ősi Föld sekély tengereiben. Evolúciós szemmel nézve nagyon is elképzelhető, hogy a legelső neuronok valahogy úgy néztek ki, mint a mai korongállatkák peptiderg kiválasztósejtjei. Már neuropeptidekkel kommunikáltak, de a posztszinaptikus berendezés kiépítéséhez, az idegsejtnyúlványok növesztéséhez és a gyors elektromos impulzusok vezetéséhez szükséges génmodulokat csak a későbbiekben szerezték be. Ezek a további újítások kulcsfontosságúak voltak a tényleges idegsejtek nagyjából százmillió évvel későbbi kialakulásához.

Idegsejtek (neuronok). Forrás: https://www.bbc.com/news/health-48092570

Maradtak még kérdések

Az idegrendszer kifejlődésének komplex evolúciós történetében még sok részlet vár tisztázásra. Mostani ismereteink szerint az első modern idegsejt a csalánozók és a kétoldali szimmetriával rendelkező állatok közös ősében jelenhetett meg mintegy 650 millió évvel ezelőtt. Ugyanakkor a bordásmedúzák is rendelkeznek neuronszerű sejtekkel, bár ezek lényeges szerkezeti különbségeket mutatnak a valódi idegsejtekhez képest, és a modern neuronokra jellemző gének legtöbbje nem fejeződik ki bennük. Az az új megfigyelés, hogy ezek a gének jelen vannak a korongállatkákban, de hiányoznak a bordásmedúzákból, friss kérdéseket vet fel az idegsejtek evolúciós útvonalával kapcsolatban.

„A plakozoonoknak nincsenek idegsejtjeik, viszont eredményeink szerint peptiderg sejtjeik feltűnő molekuláris hasonlóságokat mutatnak velük. A bordásmedúzáknak vannak idegsejtjeik, amelyek hasonlóságaik mellett fontos különbségeket is hordoznak a mieinkhez képest. Vajon az idegsejtek csak egyszer alakultak ki az evolúció során, és útjuk kettéágazott, vagy egymással párhuzamosan több evolúciós ágon is kifejlődtek? Mozaikok-e a mai idegsejtek, eltérő eredetű darabkákkal? Ezek a kérdések továbbra is válaszra várnak" – fejtette ki Xavier Grau-Bové, a cikk másik első szerzője, aki szintén a Genomszabályozási Központ posztoktor kutatója.

A tanulmány szerzői azt remélik, hogy amint világszerte újabb és újabb minőségi genomszekvenciák látnak napvilágot a legkülönbözőbb fajokból, fokozatosan fény derül majd a neuronok eredetére és a többi sejttípus evolúciójára. „A sejtek az élet alapvető egységei, így annak megértése, miként keletkeztek és hogyan változtak az idők során, elengedhetetlen az élet evolúciós történetének elmeséléséhez. A korongállatkák, a bordásmedúzák, a szivacsok és a többi nem-konvencionális modellállat olyan titkokat tartogatnak számunkra, amelyeket épp csak elkezdtünk felderíteni" – tette hozzá végezetül Arnau Sebé-Pedros, a cikk levelező szerzője és a Genomszabályozási Központ csoportvezetője.