به گزارش پایگاه اصلاع رسانی بنیان، تحقیقات منتشر شده در نشریه Cell بینش جدیدی در مورد تکامل نورون‌ها با تمرکز بر پلاکوزوئن‌ها، یک حیوان دریایی در اندازه میلی متری، ارائه می‌دهد. دانشمندان مرکز تنظیم ژنومی در بارسلونا کشف کردند که سلول‌های ترشحی تخصصی در این حیوانات قدیمی و منحصر به فرد ممکن است باعث ایجاد سلول عصبی (نورون) در حیوانات پیچیده‌تر شده باشد.

پیش زمینه

تقریباً 800 میلیون سال پیش، اجزای سلول مغز ما در دریاهای کم عمق شروع به شکل گیری کردند. پلاکوزوئن‌ها (تخت‌زیوه‌تباران) حیوانات کوچکی به اندازه یک دانه بزرگ شن هستند که از جلبک‌ها و میکروب‌های ساکن در سطح سنگ‌ها و سایر بسترهای موجود در دریاهای کم عمق و گرم تغذیه می‌کنند.  این موجودات لکه مانند و کلوچه‌ای شکل آنقدر ساده هستند که بدون هیچ عضو یا عضوی از بدن زندگی می‌کنند. تصور می‌شود که این حیوانات برای اولین بار در حدود 800 میلیون سال پیش روی زمین ظاهر شدند، یکی از پنج دودمان اصلی جانوران در کنار تینوفورها (Ctenophora یا شانه‌داران )، پوریفرا (Porifera یا اسفنج‌ها)، نیداریا (Cnidaria یا مَرجانیان، شقایق‌های دریایی، چتر دریایی) و دوسوئیان ( Bilateria یا همه حیوانات دیگر) هستند. موجودات دریایی رفتار خود را به لطف سلول‌های پپتیدرژیک هماهنگ می‌کنند، انواع خاصی از سلول‌ها که پپتیدهای کوچکی را آزاد می‌کنند که می‌تواند حرکت یا تغذیه حیوان را هدایت کند. نویسندگان این مطالعه با توجه به فتنه منشأ این سلول‌ها، مجموعه‌ای از تکنیک‌های مولکولی و مدل‌های محاسباتی را برای درک چگونگی تکامل انواع سلول‌های پلاکوزوئن به کار گرفتند و نحوه ظاهر و عملکرد اجداد باستانی ما را کنار هم قرار دادند.

بازسازی انواع سلول‌های باستانی

محققان ابتدا نقشه ای از انواع مختلف سلول‌های پلاکوزوئن تهیه کردند و ویژگی‌های آن‌ها را در چهار گونه مختلف شرح دادند. هر نوع سلولی نقش ویژه‌ای دارد که از مجموعه‌های خاصی از ژن‌ها ناشی می‌شود. نقشه‌ها یا اطلس‌های سلولی به محققان اجازه می‌دهد تا خوشه‌ها یا ماژول‌های این ژن‌ها را ترسیم کنند. آن‌ها سپس نقشه‌ای از مناطق تنظیم کننده در DNA که این ماژول‌های ژنی را کنترل می‌کنند، و تصویر واضحی از آنچه هر سلول انجام می‌دهد و نحوه کار آن‌ها با هم را نشان می‌دهد، ترسیم کردند. در نهایت، آن‌ها مقایسه‌های بین گونه‌ای را برای بازسازی چگونگی تکامل انواع سلول انجام دادند. این تحقیق نشان داد که به نظر 9 نوع سلول اصلی در پلاکوزوئن‌ها با بسیاری از انواع سلول‌های بین (in-between) مرتبط هستند که از یک نوع به نوع دیگر تغییر می‌کنند. سلول‌ها رشد می‌کنند و تقسیم می‌شوند و تعادل ظریف انواع سلول‌های مورد نیاز برای حرکت و غذا خوردن حیوان را حفظ می‌کنند. محققان همچنین چهارده نوع مختلف سلول پپتیدرژیک را یافتند، اما این سلول‌ها با تمام سلول‌های دیگر متفاوت بودند و هیچ نوع یا نشانه‌های از رشد یا تقسیم را نشان نمی‌دادند. با کمال تعجب، سلول‌های پپتیدرژیک شباهت‌های زیادی به نورون‌ها داشتند، نوعی سلول که تا میلیون‌ها سال بعد در حیوانات پیشرفته‌تر مانند دولاتریا ظاهر نشد. تجزیه و تحلیل‌های متقابل گونه‌ها نشان داد که این شباهت‌ها برای پلاکوزوئن‌ها منحصر به فرد است و در سایر حیوانات اولیه مانند اسفنج‌ها یا شانه‌داران دیده نمی‌شود.

پله‌های تکاملی

شباهت بین سلول‌های پپتیدرژیک و نورون‌ها سه برابر بود. ابتدا، محققان دریافتند که این سلول‌های پلاکوزوئن از طریق سیگنال‌های رشدی که شبیه نوروژنز هستند، از جمعیت سلول‌های اپیتلیال پیش ساز متمایز می‌شوند، فرآیندی که طی آن نورون‌های جدید در نیداریا‌ها و دوسوئیان تشکیل می‌شوند. دوم، آن‌ها دریافتند که سلول‌های پپتیدرژیک دارای ماژول‌های ژنی زیادی هستند که برای ساختن بخشی از یک نورون که می‌تواند پیامی ارسال کند (داربست پیش سیناپسی) مورد نیاز است. با این حال، این سلول‌ها به‌عنوان یک نورون واقعی فاصله زیادی دارند، زیرا فاقد اجزای دریافت کننده پیام عصبی (پس سیناپسی) یا اجزای مورد نیاز برای هدایت سیگنال‌های الکتریکی هستند. در نهایت، نویسندگان از تکنیک‌های یادگیری عمیق استفاده کردند تا نشان دهند که انواع سلول‌های پلاکوزوئن با استفاده از سیستمی در سلول‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند که در آن پروتئین‌های خاص، به نام GPCR  (گیرنده‌های جفت‌شده با پروتئین G)، سیگنال‌های بیرونی را شناسایی کرده و مجموعه‌ای از واکنش‌ها را در داخل سلول آغاز می‌کنند. این سیگنال‌های بیرونی توسط نوروپپتیدها، پیام رسان‌های شیمیایی که توسط نورون‌ها در بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی مختلف استفاده می‌شوند، واسطه می‌شوند. دکتر سباستین آر. ناجل، نویسنده اول مطالعه و محقق فوق دکتری در مرکز تنظیم ژنومی، می‌گوید: " ما از این مشابهت‌ها شگفت زده شدیم. سلول‌های پپتیدرژیک پلاکوزوئن شباهت‌های زیادی به سلول‌های عصبی اولیه دارند، حتی اگر هنوز کاملاً وجود نداشته باشند. نگاه کردن به این جاندار، مانند نگاه کردن به یک پله تکاملی است."

طلوع نورون‌ها

این مطالعه نشان می‌دهد که بلوک‌های سازنده این نورون 800 میلیون سال پیش در حیوانات اجدادی که به‌طور نامحسوس در دریاهای کم‌عمق زمین باستان تغذیه می‌کردند، شکل می‌گرفت. از نقطه نظر تکاملی، نورون‌های اولیه ممکن است به عنوان چیزی شبیه سلول‌های ترشحی پپتیدرژیک پلاکوزوئن‌های امروزی شروع شده باشند. این سلول‌ها با استفاده از نوروپپتیدها ارتباط برقرار کردند، اما در نهایت ماژول‌های ژنی جدیدی به دست آوردند که سلول‌ها را قادر می‌سازد تا داربست‌های پس سیناپسی ایجاد کنند، آکسون‌ها و دندریت‌ها را تشکیل دهند، و کانال‌های یونی ایجاد کنند که سیگنال‌های الکتریکی سریع تولید می‌کنند، نوآوری‌هایی که برای طلوع نورون در حدود یکصد میلیون سال پس از ظهور اجداد پلاکوزوئن‌ها بر روی زمین حیاتی بودند.  با این حال، داستان تکاملی کامل سیستم‌های عصبی هنوز گفته می‌شود. تصور می‌شود که اولین نورون مدرن در حدود 650 میلیون سال پیش از اجداد مشترک نیداریا‌ها و دولاتری‌ها منشا گرفته باشد. و با این حال، سلول‌های نورون مانند در تنوفورها وجود دارند، اگرچه آن‌ها تفاوت‌های ساختاری مهمی دارند و فاقد بیان بیشتر ژن‌های موجود در نورون‌های مدرن هستند. وجود برخی از این ژن‌های عصبی در سلول‌های پلاکوزوئن‌ها و عدم وجود آن‌ها در تنوفورها، سؤالات جدیدی را در مورد مسیر تکاملی نورون‌ها ایجاد می‌کند. پلاکوزوئن‌ها فاقد نورون هستند، اما ما اکنون شباهت‌های مولکولی قابل توجهی با سلول‌های عصبی خود یافته‌ایم. تنوفورها دارای شبکه‌های عصبی هستند که تفاوت‌ها و شباهت‌های کلیدی با شبکه‌های عصبی ما دارند. آیا نورون‌ها یک بار تکامل یافته و سپس از هم جدا شده‌اند یا بیش از یک بار به صورت موازی؟ آیا آن‌ها یک موزاییک هستند که هر قطعه منشا متفاوتی دارد؟ دکتر خاویر گراو-بوو، نویسنده اول این مطالعه و پژوهشگر فوق دکترا در مرکز تنظیم ژنومی، می‌گوید: " نویسندگان این مطالعه بر این باورند که با ادامه یافتن توالی ژنوم‌های باکیفیت از گونه‌های مختلف توسط محققان در سراسر جهان، منشأ نورون‌ها و تکامل سایر انواع سلول‌ها به طور فزاینده‌ای روشن خواهد شد." همچنین آرنو سبه - پدروس، محقق این مطالعه و رهبر گروه جونیور در مرکز تنظیم ژنومی در این باره می‌گوید: "  سلول‌ها واحدهای بنیادین زندگی هستند، بنابراین درک چگونگی به وجود آمدن یا تغییر آن‌ها در طول زمان برای توضیح داستان تکاملی زندگی کلیدی است. پلاکوزوئن‌ها، تنوفورها، اسفنج‌ها و دیگر حیوانات مدل غیرسنتی دارای اسراری هستند که ما تازه شروع به کشف آن‌ها کرده‌ایم."

پایان مطلب./