約8億年前、私たちの脳細胞の構成要素が浅い海で形成され始めました。 Cell 誌に掲載された研究は、ミリメートルサイズの海洋動物である胎生動物に焦点を当て、ニューロンの進化に関する新たな洞察を提供します。バルセロナのゲノム制御センターの科学者たちは、これら古代のユニークな動物の特殊な分泌細胞が、より複雑な動物のニューロンを生み出した可能性があることを発見しました。
胎生動物は、大きな砂粒ほどの大きさの小さな動物で、暖かい浅海で岩の表面やその他の基質に生息する藻類や微生物を食べます。ボールとパンケーキの形をしたこの生き物は非常に単純で、体の一部や器官はありません。
これらの動物は約8億年前に地球上に初めて出現したと考えられており、有櫛動物門、海綿動物門、刺胞動物門（サンゴ、イソギンチャク、クラゲ）、左右相補門（他のすべての動物）と並ぶ5大動物門の1つです。
これらの海洋生物は、動物の動きや摂食を指示するために小さなペプチドを放出する特別な種類の細胞であるペプチド作動性細胞を通じて行動を調整しています。これらの細胞の起源についての好奇心に駆られ、この研究の著者らは、胎生動物細胞タイプがどのように進化したかを理解し、私たちの古代の祖先がどのように見え、どのように機能したかをつなぎ合わせるために、さまざまな分子技術と計算モデルを使用しました。
古代の細胞タイプを再構築する
研究者らはまず、すべての異なる胎生動物細胞タイプのマップを作成し、4 つの異なる種におけるそれらの特徴に注目しました。各細胞タイプには、特定の遺伝子セットから生じる特定の役割があります。これらのマップ、つまり「細胞アトラス」を使用すると、研究者はこれらの遺伝子のクラスター、つまり「モジュール」を地図上に描くことができます。次に、これらの遺伝子モジュールを制御する DNA の調節領域をマッピングし、各細胞が何をするのか、そしてそれらがどのように連携するのかを明確に示しました。最後に、彼らは細胞種の進化を再構築するために異種比較を実行しました。
研究によると、胎生動物の9つの主要な細胞タイプは、あるタイプから別のタイプに移行する多くの「中間」細胞タイプによって接続されているようです。これらの細胞は常に成長と分裂を繰り返しており、動物が移動したり食べるために必要な細胞の種類の微妙なバランスを維持しています。研究者らはまた、14種類のペプチド作動性細胞を発見したが、これらの細胞は他のすべての細胞とは異なり、中間型も成長や分裂の兆候も示さなかった。
驚くべきことに、ペプチド作動性細胞はニューロンと多くの類似点を持っています。ニューロンは、二毛綱などのより高度な動物では数百万年後まで出現しなかった細胞タイプです。異種間の分析により、これらの類似点は胎生動物に特有のものであり、海綿動物や有櫛動物などの他の初期のクレードでは見られないことが示されました。
進化への足がかり
ペプチド作動性細胞とニューロンの類似性は 3 つの側面で明らかです。まず、研究者らは、これらの胎生動物細胞が、線虫や二足動物の神経新生、つまり新しいニューロンの形成のプロセスに似た発生シグナルを通じて、天然の上皮細胞の集団から分化したことを発見した。
第二に、ペプチド作動性細胞が、メッセージを送信するニューロンの部分（シナプス前足場）を構築するのに必要な多くの遺伝的モジュールを持っていることを発見しました。しかし、これらの細胞は、ニューロンの情報受信端（シナプス後）の構成要素や、電気信号の伝達に必要な構成要素を欠いているため、真のニューロンとは程遠いものです。
最後に、著者らは深層学習技術を使用して、胎生動物細胞タイプ間のコミュニケーションが、GPCR（Gタンパク質共役受容体）と呼ばれる特定のタンパク質が外部シグナルを検出して細胞内で一連の反応を開始する細胞内システムを通じて行われることを示した。これらの外部シグナルは、多くの異なる生理学的プロセスにおいてニューロンによって使用される化学メッセンジャーである神経ペプチドによって媒介されます。
「私たちはその類似点に衝撃を受けました」と、この研究の共同筆頭著者であり、ゲノム制御センターの博士研究員であるセバスティアン・R・ナジュレ博士は語った。 「胎生動物のペプチド作動性細胞は、原始的な神経細胞と多くの類似点を持っていますが、まだ完全ではありません。進化の足がかりを見ているようなものです。」
ニューロンの夜明け
この研究は、ニューロンの構成要素が8億年前、古代地球の浅い海で草を食べていた祖先動物で形成されていたことを示している。進化の観点から見ると、初期のニューロンは当初、今日の胎生動物のペプチド作動性分泌細胞に似ていた可能性があります。
細胞は神経ペプチドを使用して通信しましたが、最終的には、細胞がシナプス後足場を作成し、軸索と樹状突起を形成し、高速電気信号を生成するイオンチャネルを作成できるようにする新しい遺伝子モジュールを獲得しました。これは、胎生動物の祖先が地球上に初めて出現してから約1億年後のニューロンの出現に不可欠な革新でした。
しかし、神経系の完全な進化の物語はまだ解明されていません。最初の現代のニューロンは、約6億5千万年前に刺胞動物と両生類の共通の祖先から生まれたと考えられています。ただし、ニューロン様細胞は有櫛動物にも存在しますが、それらは構造的に非常に異なり、現代のニューロンに見られるほとんどの遺伝子の発現を欠いています。これらのニューロン遺伝子の一部は胎生動物細胞には存在するが、有櫛動物には存在せず、ニューロンの進化の軌跡について新たな疑問を引き起こしている。
「胎生動物にはニューロンがありませんが、それらが私たちの神経細胞と驚くべき分子的類似点を持っていることが今回発見されました。有櫛動物の神経網には、私たちの神経網との類似点だけでなく重要な違いもあります。ニューロンは一度進化してから分化するのでしょうか、それとも複数回並行して進行するのでしょうか？」それぞれの作品の由来が異なるモザイクなのでしょうか？これらは答えが必要な未解決の疑問です」と、この研究の共同筆頭著者であり、ゲノム制御センターの博士研究員であるザビエル・グラウ・ボヴェ博士は述べた。
この研究の著者らは、世界中の研究者がさまざまな種の質の高いゲノムの解読を続けるにつれて、ニューロンの起源や他の細胞型の進化がますます明らかになると信じている。
「細胞は生命の基本単位であるため、細胞がどのように発生し、時間の経過とともに変化するかを理解することは、生命の進化の物語を説明する鍵となります。胎生動物、有櫛動物、海綿動物、その他の非伝統的なモデル動物には、私たちが明らかにし始めたばかりの秘密が隠されています」と、この研究の責任著者であり、ゲノム制御センターのジュニアグループリーダーであり、ICREA研究教授であるアルナウ・セベ＝ペドロスは結論づけた。