นักวิทยาศาสตร์ศึกษาวิวัฒนาการของเซลล์ประสาท

สรุป: การศึกษาของเยลลี่ผสมเผยให้เห็นประเภทของสารที่อาจทำงานในระบบประสาทของบรรพบุรุษ

แหล่งที่มา: OIST:

เซลล์ประสาท ซึ่งเป็นเซลล์เฉพาะของระบบประสาท อาจเป็นเซลล์ที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยมีมา ในมนุษย์ เซลล์เหล่านี้สามารถประมวลผลและส่งข้อมูลจำนวนมหาศาลได้ แต่การที่เซลล์ที่ซับซ้อนดังกล่าวเกิดขึ้นครั้งแรกนั้นยังคงเป็นข้อถกเถียงที่มีมายาวนานอย่างไร

ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นได้ระบุชนิดของสารส่งสาร ซึ่งก็คือโมเลกุลที่ส่งสัญญาณจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง ซึ่งอาจทำหน้าที่ในระบบประสาทของบรรพบุรุษของเรา

การศึกษานี้เผยแพร่เมื่อวันที่ 8 ส.ค นิเวศวิทยาธรรมชาติและวิวัฒนาการ นอกจากนี้ยังเผยให้เห็นความคล้ายคลึงกันที่สำคัญระหว่างระบบประสาทของสัตว์สองสายเลือดที่แยกจากกันในระยะแรก: แมงกะพรุนและดอกไม้ทะเล (เรียกอีกอย่างว่า cnidarians) และเยลลี่หวี (ctenophores) ซึ่งยืนยันสมมติฐานก่อนหน้านี้อีกครั้งว่าเซลล์ประสาทมีวิวัฒนาการเพียงครั้งเดียว

แม้จะมีความเรียบง่าย แต่ไม่ค่อยมีใครรู้จักเกี่ยวกับระบบประสาทของสัตว์โบราณ จากสายเลือดของสัตว์สี่สายที่แตกแขนงออกไปก่อนการเกิดขึ้นของสัตว์ที่ซับซ้อนมากขึ้น มีเพียงหวีเยลลี่ (เชื้อสายโบราณกลุ่มแรกที่แยกจากกัน) และ cnidarians (เชื้อสายโบราณสุดท้ายที่แยกจากกัน) เท่านั้นที่มีเซลล์ประสาท

แต่ความพิเศษของระบบประสาทหวีเยลลี่เมื่อเปรียบเทียบกับสัตว์จำพวก cnidarian และสัตว์ที่ซับซ้อนกว่า และการไม่มีเซลล์ประสาทระหว่างสองสายเลือดที่แยกจากกัน ทำให้นักวิทยาศาสตร์บางคนคาดเดาว่าเซลล์ประสาทมีวิวัฒนาการถึงสองครั้ง

แต่ศาสตราจารย์วาตานาเบะ หัวหน้าภาควิชาประสาทชีววิทยาวิวัฒนาการที่สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโอกินาวา (OIST) ยังคงไม่มั่นใจ

“อันที่จริง หวีเยลลี่ขาดโปรตีนประสาทหลายอย่างที่เราเห็นในสายเลือดของสัตว์ที่ก้าวหน้ากว่า” เขากล่าว “แต่สำหรับฉัน การขาดโปรตีนเหล่านี้ไม่เพียงพอสำหรับการกำเนิดของเซลล์ประสาทอิสระสองเซลล์”

ในการวิจัยของเขา ศาสตราจารย์วาตานาเบะมุ่งเน้นไปที่กลุ่มสารสื่อประสาทในสมัยโบราณและหลากหลาย สายเปปไทด์สั้นเหล่านี้ เรียกว่านิวโรเปปไทด์ ถูกสังเคราะห์ขึ้นครั้งแรกในเซลล์ประสาทเป็นสายโซ่เปปไทด์ที่ยาว ก่อนจะถูกแยกย่อยด้วยเอนไซม์ย่อยอาหารให้เป็นเปปไทด์ที่สั้นกว่ามาก พวกมันเป็นรูปแบบหลักของผู้ส่งสารที่พบใน cnidarians และยังมีบทบาทในการสื่อสารทางประสาทในมนุษย์และสัตว์ที่ซับซ้อนอื่นๆ

อย่างไรก็ตาม การศึกษาในอดีตที่พยายามค้นหานิวโรเปปไทด์ที่คล้ายคลึงกันในเยลลี่หวีไม่ประสบผลสำเร็จ ศาสตราจารย์วาตานาเบะอธิบายว่าปัญหาหลักคือเปปไทด์สั้นที่โตเต็มที่นั้นถูกเข้ารหัสโดยลำดับดีเอ็นเอสั้นเท่านั้นและมักกลายพันธุ์ในสายเลือดโบราณเหล่านี้ ทำให้การเปรียบเทียบดีเอ็นเอทำได้ยากมาก แม้ว่าปัญญาประดิษฐ์จะระบุเปปไทด์ที่มีศักยภาพ แต่ก็ยังไม่ได้รับการยืนยันจากการทดลอง

ทีมวิจัยของศาสตราจารย์วาตานาเบะจึงเข้าหาปัญหาในทิศทางใหม่ พวกเขาสกัดเปปไทด์จากฟองน้ำ ซินดาเรียน และเยลลี่หวี และใช้แมสสเปกโตรเมทรีเพื่อค้นหาเปปไทด์ชนิดสั้น ทีมงานสามารถค้นหาเปปไทด์สั้น 28 ชนิดในเยลลี่ cnidarian และ comb และกำหนดลำดับกรดอะมิโนของพวกมัน

เมื่อทราบโครงสร้างแล้ว นักวิจัยได้ถ่ายภาพเปปไทด์สั้นภายใต้กล้องจุลทรรศน์เรืองแสง ซึ่งช่วยให้พวกเขาเห็นว่าเซลล์ใดผลิตพวกมันทั้งใน cnidarians และ comb jelly

ในเยลลี่หวี พวกเขาพบว่าหนึ่งในเซลล์ที่แสดงออกถึงนิวโรเปปไทด์คล้ายกับเซลล์ประสาทแบบคลาสสิก โดยมีการฉายภาพบางๆ ที่เรียกว่านิวริไทต์ซึ่งขยายออกไปนอกเซลล์

แสดงว่าเป็นเยลลี่รวมกัน
หวีเยลลี่สายพันธุ์ที่ Department of Evolutionary Neurobiology, OIST.

แต่เปปไทด์สั้นก็ถูกผลิตขึ้นในเซลล์ประเภทที่สองที่ไม่มีนิวไรต์เช่นกัน นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าพวกเขาอาจเป็นเซลล์ประสาทต่อมไร้ท่อรุ่นแรก เซลล์ที่รับสัญญาณจากเซลล์ประสาทแล้วปล่อยสัญญาณ เช่น ฮอร์โมน ไปยังอวัยวะอื่นๆ ในร่างกาย

นักวิจัยยังเปรียบเทียบว่ายีนใดแสดงออกในเซลล์ประสาท cnidarian และ comb jelly พวกเขาพบว่านอกเหนือจากนิวโรเปปไทด์สั้นบางเซลล์แล้ว เซลล์ประสาททั้งสองยังแสดงโปรตีนชนิดอื่นที่คล้ายคลึงกันซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของเซลล์ประสาท

“เรารู้อยู่แล้วว่าเซลล์ประสาทที่แสดงออกเปปไทด์ cnidarian มีความคล้ายคลึงกันกับเซลล์ประสาทที่พบในสัตว์ที่ซับซ้อนมากขึ้น ตอนนี้พบว่าเซลล์ประสาทของเยลลี่หวีมี ‘ลายเซ็นทางพันธุกรรม’ ที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลล์ประสาทเหล่านี้มีต้นกำเนิดจากการวิวัฒนาการเหมือนกัน” ศาสตราจารย์กล่าว แย่ลง. “กล่าวอีกนัยหนึ่งเซลล์ประสาทน่าจะมีวิวัฒนาการเพียงครั้งเดียว”

ซึ่งหมายความว่า ศาสตราจารย์วาตานาเบะกล่าวเสริมว่า เซลล์ประสาทที่แสดงออกเปปไทด์น่าจะเป็นรูปแบบบรรพบุรุษมากที่สุดที่สารสื่อประสาททางเคมีเกิดขึ้น
สำหรับศาสตราจารย์วาตานาเบะ การค้นพบนี้นำคำถามใหม่ที่น่าตื่นเต้นมาสู่แถวหน้าของการวิจัยของเขา

ดูสิ่งนี้ด้วย:

นี้แสดงให้เห็นกระต่ายของเล่นสีชมพูและสีฟ้า

“ถ้าเป็นอย่างนั้นจริง ฉันสนใจมากที่สุดที่จะรู้ว่าเซลล์ประสาทที่แสดงเปปไทด์มาจากไหน และทำไมสัตว์บรรพบุรุษจึงต้องพัฒนาเซลล์ประสาท? ตอนนี้เรามีภาพที่ชัดขึ้นว่าเซลล์ประสาทแรกสุดมีลักษณะอย่างไร เราสามารถเริ่มตรวจสอบหน้าที่ดั้งเดิมของพวกมันได้”

เกี่ยวกับข่าวการวิจัยทางประสาทวิทยาวิวัฒนาการนี้

ผู้เขียน: โทโมมิ โอคุโบะ
แหล่งที่มา: OIST:
ติดต่อ: โทโมมิ โอคุโบะ – OIST
ภาพ: เครดิตรูปภาพจาก Soumen Jana/ OIST

การวิจัยดั้งเดิม เปิดเข้าสู่ระบบ
“Mass Spectrometry of Short Peptides เผยลักษณะทั่วไปของเซลล์ประสาท Metazoan Peptidergic” โดย Watanabe, H et al. นิเวศวิทยาธรรมชาติและวิวัฒนาการ


เชิงนามธรรม:

มวลสารของเปปไทด์สั้นเผยให้เห็นลักษณะทั่วไปของเซลล์ประสาทเปปไทด์ metazoan;

ต้นกำเนิดวิวัฒนาการของเซลล์ประสาทยังไม่ทราบ แม้ว่าข้อมูลจีโนมล่าสุดจากสัตว์ที่แตกแขนงต้นที่ยังหลงเหลืออยู่ได้แสดงให้เห็นว่ายีนประสาทมีอยู่ในบรรพบุรุษร่วมกันของสัตว์ แต่คุณสมบัติทางสรีรวิทยาและพันธุกรรมของเซลล์ประสาทในระยะวิวัฒนาการต้นยังไม่ชัดเจน

ที่นี่ เราได้ทำการสำรวจเปปไทด์สั้นโดยใช้แมสสเปกโตรเมทรีแบบครอบคลุมจากสายเลือดที่แตกแขนงต้น: Cnidaria, Porifera และ Ctenophora

เราระบุนิวโรเปปไทด์เซนโตฟอร์จำนวนหนึ่งที่แสดงออกในเซลล์ประสาทที่เกี่ยวข้องกับระบบประสาทสัมผัส กล้ามเนื้อ และระบบย่อยอาหาร เปปไทด์ Ctenophore ถูกเก็บไว้ในถุงน้ำในร่างกายของเซลล์และนิวไรต์ ซึ่งแนะนำการถ่ายโอนปริมาตรที่คล้ายกับระบบเปปไทด์ cnidarian และ bilaterian

การเปรียบเทียบลักษณะทางพันธุกรรมเปิดเผยว่าเซลล์ที่แสดงเปปไทด์ของ Cnidaria และ Ctenophora แสดงออกถึงยีนส่วนใหญ่ที่มีบทบาทสำคัญในการเจริญเติบโต การหลั่ง และการเสื่อมสภาพของนิวโรเปปไทด์ใน Bilateria การวิเคราะห์การทำงานของนักประสาทวิทยาและการทำนายตัวรับการเรียนรู้ของเครื่องเผยให้เห็นเซลล์เป้าหมายที่มีประสิทธิภาพมากมาย รวมถึงเซลล์ของระบบกล้ามเนื้อ

ความคล้ายคลึงกันที่โดดเด่นในคุณสมบัติของเซลล์ประสาทเปปไทด์ของ Cnidaria และ Bilateria และ Ctenophora ซึ่งเป็นสัตว์ที่มีเซลล์ประสาทเป็นพื้นฐานที่สุด ชี้ให้เห็นถึงที่มาของวิวัฒนาการร่วมกันของระบบประสาท metazoan peptidergic