مطالعه شباهت‌های کلیدی بین سیستم عصبی دو اصل و نسب حیوانی را آشکار می‌کند



نورون ها، سلول های تخصصی سیستم عصبی، احتمالاً پیچیده ترین نوع سلولی هستند که تاکنون تکامل یافته اند. در انسان، این سلول ها قادر به پردازش و انتقال حجم عظیمی از اطلاعات هستند. اما اینکه چگونه چنین سلول های پیچیده ای برای اولین بار به وجود آمدند، بحثی طولانی مدت باقی مانده است.

اکنون، دانشمندان ژاپنی نوع پیام‌رسانی را نشان داده‌اند – مولکول‌هایی که سیگنال‌ها را از یک سلول به سلول دیگر منتقل می‌کنند – که احتمالاً در سیستم عصبی اجدادی کار می‌کردند.

این مطالعه در 8 آگوست منتشر شد اکولوژی و تکامل طبیعت، همچنین شباهت‌های کلیدی بین سیستم عصبی دو اصل و نسب حیوانات اولیه را آشکار کرد – دودمان عروس‌های دریایی و شقایق‌ها (که به آنها cnidarians نیز گفته می‌شود) و ژله‌های شانه‌ای (ctenophores) و این فرضیه قبلی را برانگیخت که نورون‌ها فقط یک بار تکامل یافته‌اند.

با وجود سادگی فرضی آنها، اطلاعات کمی در مورد سیستم عصبی حیوانات باستانی وجود دارد. از چهار دودمان حیوانی که قبل از ظهور حیوانات پیچیده‌تر منشعب شده‌اند، فقط ژله‌های شانه‌ای (اولین دودمان باستانی که از هم جدا می‌شوند) و cnidarians (آخرین دودمان باستانی که واگرا شده‌اند) دارای نورون هستند. اما منحصربه‌فرد بودن سیستم عصبی ژله‌های شانه‌ای در مقایسه با آنچه که در جانوران و حیوانات پیچیده‌تر دیده می‌شود، و فقدان نورون‌ها در دو دودمان که در این بین متفاوت بودند، برخی از دانشمندان را به این فرضیه رساند که نورون‌ها دو بار تکامل یافته‌اند.

اما پروفسور واتانابه، که واحد نوروبیولوژی تکاملی در موسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST) را رهبری می‌کند، متقاعد نشد.

در واقع، ژله‌های شانه‌ای فاقد پروتئین‌های عصبی زیادی هستند که در دودمان‌های حیوانی تکامل‌یافته‌تر می‌بینیم. اما برای من، فقدان این پروتئین ها شواهد کافی برای دو منشاء نورونی مستقل نیست.”


هیروشی واتانابه، استاد، واحد نوروبیولوژی تکاملی، موسسه علم و فناوری اوکیناوا

پروفسور واتانابه در مطالعه خود بر روی یک گروه قدیمی و متنوع از پیام رسان های عصبی تمرکز کرد. این زنجیره‌های پپتیدی کوتاه که نوروپپتید نامیده می‌شوند، ابتدا در سلول‌های عصبی به‌عنوان یک زنجیره پپتیدی بلند سنتز می‌شوند، قبل از اینکه توسط آنزیم‌های گوارشی به بسیاری از پپتیدهای کوتاه تقسیم شوند. آنها شکل اصلی پیام رسان هستند که در cnidarians یافت می شوند و همچنین در ارتباطات عصبی در انسان ها و سایر حیوانات پیچیده نقش دارند.

با این حال، تحقیقات گذشته که سعی در یافتن نوروپپتیدهای مشابه در ژله های شانه ای داشته است، ناموفق بوده است. پروفسور واتانابه توضیح داد که مشکل اصلی این است که پپتیدهای کوتاه بالغ تنها توسط توالی های کوتاهی از DNA کدگذاری می شوند و در این دودمان باستانی مکرراً جهش می یابند که مقایسه DNA را بسیار دشوار می کند. در حالی که هوش مصنوعی پپتیدهای بالقوه را شناسایی کرده است، اما هنوز به صورت تجربی تایید نشده اند.

بنابراین، تیم تحقیقاتی پروفسور واتانابه از جهتی جدید به این مشکل نزدیک شد. آنها پپتیدها را از اسفنج ها، cnidarians و ژله های شانه استخراج کردند و از طیف سنجی جرمی برای جستجوی پپتیدهای کوتاه استفاده کردند. این تیم توانست 28 پپتید کوتاه را در cnidarians و ژله های شانه ای پیدا کند و توالی اسید آمینه آنها را تعیین کند.

اکنون محققان با دانستن ساختار آنها، پپتیدهای کوتاه را زیر یک میکروسکوپ فلورسنت تجسم کردند و به آنها اجازه داد تا ببینند که در کدام سلول‌ها در ژله‌های cnidarians و شانه‌ای تولید شده‌اند.

در ژله های شانه ای، آنها دریافتند که یک نوع از سلول های بیان کننده نوروپپتید شبیه به نورون های کلاسیک به نظر می رسد، با برجستگی های نازکی به نام نوریت ها که از سلول بیرون می آیند.

اما پپتیدهای کوتاه در نوع دوم سلولی که فاقد نوریت بود نیز تولید شد. محققان گمان می‌کنند که اینها می‌توانند نسخه اولیه سلول‌های عصبی غدد درون ریز باشند – سلول‌هایی که سیگنال‌هایی را از نورون‌ها دریافت می‌کنند و سپس سیگنال‌هایی مانند هورمون‌ها را به سایر اندام‌های بدن آزاد می‌کنند.

محققان همچنین ژن‌هایی را که در نورون‌های cnidarian و comb jelly بیان می‌شوند، مقایسه کردند. آنها دریافتند که علاوه بر داشتن برخی نوروپپتیدهای کوتاه مشترک، هر دو نورون آرایه مشابهی از پروتئین های دیگر ضروری برای عملکرد نورون ها را نیز بیان می کنند.

ما قبلاً می‌دانیم که نورون‌های بیان‌کننده پپتید cnidarian با آنهایی که در حیوانات پیچیده‌تر دیده می‌شوند همولوگ هستند. اکنون، نورون‌های ژله‌ای شانه‌ای نیز پیدا شده‌اند که «امضای ژنتیکی» مشابهی دارند که نشان می‌دهد این نورون‌ها منشأ تکاملی یکسانی دارند. پروفسور واتانابه. به عبارت دیگر، به احتمال زیاد نورون‌ها فقط یک بار تکامل یافته‌اند.»

پروفسور واتانابه اضافه کرد که این بدان معناست که نورون های بیان کننده پپتید احتمالاً اجدادی ترین شکل هستند و انتقال دهنده های عصبی شیمیایی بعداً به وجود می آیند.
برای پروفسور واتانابه، این یافته‌ها پرسش‌های جدید و هیجان‌انگیزی را در خط مقدم تحقیقات او قرار می‌دهند.

“اگر این درست است، من بیشتر علاقه مندم که بدانم – نورون های بیان کننده پپتید از کجا آمده اند؟ و چرا حیوان اجدادی به تکامل نورون ها نیاز داشته است؟ اکنون که ما ایده روشن تری از ظاهر اولیه ترین نورون ها داریم، تحقیقات در مورد عملکرد اصلی آنها می تواند آغاز شود.”

منبع:

دانشگاه فارغ التحصیل موسسه علم و فناوری اوکیناوا

مرجع مجله:

هایاکاوا، ای. و همکاران. (2022) طیف سنجی جرمی پپتیدهای کوتاه ویژگی های مشترک نورون های پپتیدرژیک متازوئن را نشان می دهد. اکولوژی و تکامل طبیعت. doi.org/10.1038/s41559-022-01835-7.



منبع