Ongeveer 800 miljoen jaar geleden begonnen de bouwstenen van onze hersencellen zich te vormen in ondiepe oceanen. Onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Cell biedt nieuwe inzichten in de evolutie van neuronen, met de nadruk op levendbarende dieren, een zeedier van millimeterformaat. Wetenschappers van het Centrum voor Genome Regulatie in Barcelona hebben ontdekt dat gespecialiseerde secretoire cellen in deze oude en unieke dieren mogelijk aanleiding hebben gegeven tot de neuronen van complexere dieren.
Levendbarende dieren zijn kleine dieren, ongeveer zo groot als een grote zandkorrel, die zich in warme ondiepe zeeën voeden met algen en micro-organismen die op rotsoppervlakken en andere substraten leven. De wezens in de vorm van een bal en pannenkoek zijn heel eenvoudig en hebben geen lichaamsdelen of organen.
Er wordt aangenomen dat deze dieren ongeveer 800 miljoen jaar geleden voor het eerst op aarde zijn verschenen en behoren tot de vijf belangrijkste dierfyla, samen met Ctenophora, Porifera, Cnidaria (koralen, zeeanemonen en kwallen) en Bilateria (alle andere dieren).
Deze zeedieren coördineren hun gedrag via peptidergische cellen, een speciaal type cel dat kleine peptiden vrijgeeft om de beweging of voeding van het dier te sturen. Gedreven door nieuwsgierigheid naar de oorsprong van deze cellen, gebruikten de auteurs van het onderzoek een reeks moleculaire technieken en computermodellen om te begrijpen hoe levendbarende dierlijke celtypen evolueerden en om samen te vatten hoe onze oude voorouders eruit zagen en functioneerden.
Reconstrueer oude celtypen
De onderzoekers maakten eerst een kaart van alle verschillende levendbarende celtypen van dieren, waarbij ze hun kenmerken bij vier verschillende soorten noteerden. Elk celtype heeft specifieke rollen die voortkomen uit een specifieke reeks genen. Met deze kaarten, of ‘celatlassen’, kunnen onderzoekers clusters of ‘modules’ van deze genen in kaart brengen. Vervolgens brachten ze de regulerende DNA-gebieden die deze genmodules controleren in kaart, waarbij ze duidelijk lieten zien wat elke cel doet en hoe ze samenwerken. Ten slotte voerden ze soortoverschrijdende vergelijkingen uit om de evolutie van celtypen te reconstrueren.
Onderzoek toont aan dat de negen belangrijkste celtypen van levendbarende dieren met elkaar verbonden lijken te zijn door vele ‘tussenliggende’ celtypen die van het ene type naar het andere overgaan. Deze cellen groeien en delen voortdurend, waardoor een delicaat evenwicht wordt gehandhaafd tussen de celtypen die het dier nodig heeft om te bewegen en te eten. De onderzoekers ontdekten ook 14 verschillende soorten peptidergische cellen, maar deze cellen waren anders dan alle andere cellen en vertoonden geen tussenvormen of tekenen van groei of deling.
Verrassend genoeg hebben peptidergische cellen veel overeenkomsten met neuronen – een celtype dat pas miljoenen jaren later verscheen bij meer geavanceerde dieren zoals dichaeten. Analyse tussen soorten toonde aan dat deze overeenkomsten uniek waren voor levendbarende dieren en niet werden gezien in andere vroege clades zoals sponzen of ctenoforen.
springplank naar de evolutie
De overeenkomsten tussen peptidergische cellen en neuronen zijn duidelijk in drie aspecten. Ten eerste ontdekten de onderzoekers dat deze levendbarende dierlijke cellen zich onderscheidden van een populatie van inheemse epitheelcellen door ontwikkelingssignalen die vergelijkbaar zijn met het proces van neurogenese, de vorming van nieuwe neuronen, in wormen en diplopoden.
Ten tweede ontdekten ze dat peptidergische cellen veel genetische modules bezitten die nodig zijn om het deel van het neuron te bouwen dat berichten verzendt (de presynaptische steigers). Deze cellen zijn echter verre van echte neuronen, omdat ze de componenten aan het informatie-ontvangende uiteinde van een neuron (post-synaptisch) missen, of de componenten die nodig zijn om elektrische signalen te geleiden.
Ten slotte gebruikten de auteurs deep learning-technieken om aan te tonen dat communicatie tussen levendbarende dierceltypen plaatsvindt via een intracellulair systeem waarin specifieke eiwitten, GPCR's genaamd (G-eiwit gekoppelde receptoren), externe signalen detecteren en een reeks reacties in de cel initiëren. Deze externe signalen worden gemedieerd door neuropeptiden, chemische boodschappers die door neuronen worden gebruikt in veel verschillende fysiologische processen.
"We werden getroffen door de overeenkomsten", zegt Sebastián R. Najle, Ph.D., co-eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker bij het Center for Genomic Regulation. "De peptidergische cellen van levendbarende dieren hebben veel overeenkomsten met primitieve zenuwcellen, hoewel ze er nog niet helemaal zijn. Het is alsof je naar een evolutionaire springplank kijkt."
Het begin van neuronen
Uit het onderzoek blijkt dat de bouwstenen van neuronen 800 miljoen jaar geleden werden gevormd bij voorouderlijke dieren die in de ondiepe zeeën op de oude aarde graasden. Vanuit evolutionair perspectief kunnen vroege neuronen aanvankelijk hebben geleken op de peptidergische secretiecellen van de hedendaagse levendbarende dieren.
De cellen gebruikten neuropeptiden om te communiceren, maar verwierven uiteindelijk nieuwe genetische modules waarmee de cellen postsynaptische scaffolds konden creëren, axonen en dendrieten konden vormen en ionkanalen konden creëren die snelle elektrische signalen genereren – innovaties die van cruciaal belang waren voor de opkomst van neuronen ongeveer 100 miljoen jaar nadat levendbarende voorouders van dieren voor het eerst op aarde verschenen.
Het volledige evolutionaire verhaal van het zenuwstelsel moet echter nog worden bepaald. Er wordt aangenomen dat de eerste moderne neuronen ongeveer 650 miljoen jaar geleden afkomstig zijn van de gemeenschappelijke voorouder van neteldieren en amfibieën. Neuronachtige cellen komen echter ook voor in ctenoforen, hoewel ze structureel heel verschillend zijn en de expressie missen van de meeste genen die in moderne neuronen worden aangetroffen. Sommige van deze neuronale genen zijn aanwezig in levendbarende dierlijke cellen, maar niet in ctenophorans, wat nieuwe vragen oproept over het evolutionaire traject van neuronen.
‘Levendbarende dieren hebben geen neuronen, maar we hebben nu ontdekt dat ze opvallende moleculaire overeenkomsten vertonen met onze zenuwcellen. Ctenoforen hebben neurale netten die belangrijke verschillen en overeenkomsten vertonen met die van ons. Evolueren neuronen één keer en differentiëren ze vervolgens, of gaan ze meer dan één keer parallel vooruit?’ Zijn het mozaïeken, waarbij elk stuk een andere oorsprong heeft? Dit zijn open vragen die moeten worden beantwoord”, zegt Xavier Grau-Bové, Ph.D., co-eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker bij het Center for Genome Regulation.
De auteurs van het onderzoek zijn van mening dat naarmate onderzoekers over de hele wereld doorgaan met het sequencen van hoogwaardige genomen van verschillende soorten, de oorsprong van neuronen en de evolutie van andere celtypen steeds duidelijker zal worden.
"Cellen zijn de basiseenheid van het leven, dus begrijpen hoe cellen ontstaan of veranderen in de loop van de tijd is de sleutel tot het verklaren van het verhaal van de evolutie van het leven. Levendbarende dieren, ctenoforen, sponzen en andere niet-traditionele modeldieren bevatten geheimen die we nog maar net beginnen te ontdekken", concludeert Arnau Sebé-Pedros, corresponderend auteur van de studie, junior groepsleider bij het Center for Genomic Regulation en ICREA Research Professor.