Winzige Meeresbewohner enthüllen den uralten Ursprung von Neuronen

Eine Studie im Journal Zelle wirft ein neues Licht auf die Evolution von Neuronen und konzentriert sich dabei auf die Placozoen, ein millimetergroßes Meerestier. Forscher am Zentrum für Genomregulation in Barcelona finden Hinweise darauf, dass spezialisierte sekretorische Zellen, die in diesen einzigartigen und alten Lebewesen vorkommen, möglicherweise zur Entstehung von Neuronen in komplexeren Tieren geführt haben.

Placozoen sind winzige Tiere von etwa der Größe eines großen Sandkorns, die sich von Algen und Mikroben ernähren, die auf der Oberfläche von Gesteinen und anderen Substraten in flachen, warmen Meeren leben. Die klecks- und pfannkuchenförmigen Lebewesen sind so einfach, dass sie ohne Körperteile oder Organe leben.

Diese Tiere, von denen angenommen wird, dass sie vor etwa 800 Millionen Jahren zum ersten Mal auf der Erde aufgetaucht sind, gehören neben Ctenophora (Kammquallen), Porifera (Schwämme), Cnidaria (Korallen, Seeanemonen und Quallen) und Bilateria (alle) zu den fünf Haupttierlinien andere Tiere).

Die Meeresbewohner koordinieren ihr Verhalten dank peptidischer Zellen, speziellen Zelltypen, die kleine Peptide freisetzen, die die Bewegung oder Nahrungsaufnahme des Tieres steuern können. Angetrieben von der Frage nach dem Ursprung dieser Zellen verwendeten die Autoren der Studie eine Reihe molekularer Techniken und Rechenmodelle, um zu verstehen, wie sich Placozoan-Zelltypen entwickelten, und um herauszufinden, wie unsere alten Vorfahren ausgesehen und funktioniert haben könnten.

Rekonstruktion alter Zelltypen

Die Forscher erstellten zunächst eine Karte aller verschiedenen Placozoan-Zelltypen und kommentierten deren Eigenschaften für vier verschiedene Arten. Jeder Zelltyp hat eine spezielle Rolle, die von bestimmten Gensätzen herrührt. Mithilfe der Karten oder „Zellatlanten“ konnten Forscher Cluster oder „Module“ dieser Gene kartieren. Anschließend erstellten sie eine Karte der regulatorischen Regionen in der DNA, die diese Genmodule steuern, und enthüllten ein klares Bild darüber, was jede Zelle tut und wie sie zusammenarbeiten. Abschließend führten sie artübergreifende Vergleiche durch, um die Entwicklung der Zelltypen zu rekonstruieren.

Die Forschung zeigte, dass die neun wichtigsten Zelltypen der Placozoen durch viele „Zwischen“-Zelltypen verbunden zu sein scheinen, die von einem Typ zum anderen wechseln. Die Zellen wachsen und teilen sich und halten so das empfindliche Gleichgewicht der Zelltypen aufrecht, das das Tier benötigt, um sich zu bewegen und zu fressen. Die Forscher fanden außerdem vierzehn verschiedene Arten von peptidischen Zellen, die sich jedoch von allen anderen Zellen unterschieden und keine Zwischentypen oder Anzeichen von Wachstum oder Teilung aufwiesen.

Überraschenderweise hatten die peptidischen Zellen viele Ähnlichkeiten mit Neuronen – einem Zelltyp, der erst viele Millionen Jahre später bei fortgeschritteneren Tieren wie den Bilateria und den Neuronen auftrat. Artenübergreifende Analysen ergaben, dass diese Ähnlichkeiten nur bei Placozoen vorkommen und bei anderen Tieren, die sich früh verzweigen, wie etwa Schwämmen oder Kammquallen (Ctenophoren), nicht vorkommen.

Evolutionäre Trittsteine

Die Ähnlichkeiten zwischen peptidischen Zellen und Neuronen waren dreifach. Zunächst fanden die Forscher heraus, dass sich diese Placozoenzellen von einer Population von Vorläuferepithelzellen über Entwicklungssignale unterscheiden, die der Neurogenese ähneln, dem Prozess, durch den neue Neuronen in Nesseltieren und Bilaterien gebildet werden.

Zweitens fanden sie heraus, dass peptidische Zellen über viele Genmodule verfügen, die zum Aufbau des Teils eines Neurons erforderlich sind, der eine Nachricht senden kann (das präsynaptische Gerüst). Diese Zellen sind jedoch weit davon entfernt, ein echtes Neuron zu sein, da ihnen die Komponenten für den Empfänger einer neuronalen Nachricht (postsynaptisch) oder die Komponenten fehlen, die für die Weiterleitung elektrischer Signale erforderlich sind.

Schließlich verwendeten die Autoren Deep-Learning-Techniken, um zu zeigen, dass Placozoan-Zelltypen über ein System in Zellen miteinander kommunizieren, in dem bestimmte Proteine, sogenannte GPCRs (G-Protein-gekoppelte Rezeptoren), äußere Signale erkennen und eine Reihe von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen. Diese äußeren Signale werden durch Neuropeptide vermittelt, chemische Botenstoffe, die von Neuronen in vielen verschiedenen physiologischen Prozessen verwendet werden.

„Die Parallelen haben uns verblüfft“, sagt Dr. Sebastián R. Najle, Co-Erstautor der Studie und Postdoktorand am Center for Genomic Regulation. „Die plakozoischen peptidischen Zellen haben viele Ähnlichkeiten mit primitiven neuronalen Zellen, auch wenn sie noch nicht ganz so weit sind. Es ist, als würde man sich ein evolutionäres Sprungbrett ansehen.“

Der Beginn des Neurons

Die Studie zeigt, dass die Bausteine ​​des Neurons vor 800 Millionen Jahren in Tieren der Vorfahren entstanden, die unauffällig in den flachen Meeren der alten Erde grasten. Aus evolutionärer Sicht könnten frühe Neuronen als so etwas wie die peptidischen Sekretionszellen heutiger Placozoen entstanden sein.

Diese Zellen kommunizierten mithilfe von Neuropeptiden, erhielten aber schließlich neue Genmodule, die es den Zellen ermöglichten, postsynaptische Gerüste zu bilden, Axone und Dendriten zu bilden und Ionenkanäle zu erzeugen, die schnelle elektrische Signale erzeugen – Innovationen, die für die Entstehung des Neurons vor etwa 100 Millionen Jahren entscheidend waren Jahre nachdem die Vorfahren der Placozoen zum ersten Mal auf der Erde erschienen.

Die vollständige Evolutionsgeschichte der Nervensysteme muss jedoch noch erzählt werden. Es wird angenommen, dass das erste moderne Neuron vor etwa 650 Millionen Jahren vom gemeinsamen Vorfahren der Nesseltiere und Bilaterier stammt. Dennoch gibt es in Ctenophoren neuronenähnliche Zellen, obwohl sie wichtige strukturelle Unterschiede aufweisen und ihnen die Expression der meisten Gene moderner Neuronen fehlt.

Das Vorhandensein einiger dieser neuronalen Gene in den Zellen von Placozoen und ihr Fehlen in Ctenophoren wirft neue Fragen über den evolutionären Verlauf von Neuronen auf.

„Placozoen fehlen Neuronen, aber wir haben jetzt bemerkenswerte molekulare Ähnlichkeiten mit unseren Nervenzellen gefunden. Ctenophore haben neuronale Netze mit wesentlichen Unterschieden und Ähnlichkeiten zu unseren eigenen. Haben sich Neuronen einmal entwickelt und sind dann auseinandergegangen oder mehr als einmal parallel? Sind.“ „Ein Mosaik, bei dem jedes Stück einen anderen Ursprung hat? Das sind offene Fragen, die noch geklärt werden müssen“, sagt Dr. Xavier Grau-Bové, Co-Erstautor der Studie und Postdoktorand am Center for Genomic Regulation.

Die Autoren der Studie glauben, dass die Ursprünge von Neuronen und die Entwicklung anderer Zelltypen immer klarer werden, da Forscher auf der ganzen Welt weiterhin qualitativ hochwertige Genome verschiedener Arten sequenzieren.

„Zellen sind die Grundeinheiten des Lebens, daher ist es wichtig zu verstehen, wie sie entstehen oder sich im Laufe der Zeit verändern, um die Evolutionsgeschichte des Lebens zu erklären. Placozoen, Ctenophoren, Schwämme und andere nicht-traditionelle Modelltiere bergen Geheimnisse, mit denen wir gerade erst beginnen.“ zu entsperren“, schließt ICREA-Forschungsprofessor Arnau Sebé-Pedros, korrespondierender Autor der Studie und Juniorgruppenleiter am Center for Genomic Regulation.