Trichoplax sp. H2
I ricercatori hanno trovato prove che i componenti delle nostre cellule cerebrali si formarono in mari poco profondi circa 800 milioni di anni fa
L'assemblaggio dei programmi neuronali e di altri tipi cellulari importanti è avvenuto all'inizio dell'evoluzione animale. Possiamo ricostruire questo processo studiando i non bilateri come i placozoi. Questi piccoli animali a forma di disco non solo hanno nove tipi di cellule morfologicamente descritti e nessun neurone, ma mostrano anche comportamenti coordinati innescati da cellule che secernono peptidi.
Uno studio pubblicato sulla rivista Cell (1) getta nuova luce sull'evoluzione dei neuroni, concentrandosi sui placozoi, animali marini di dimensioni millimetriche. I ricercatori del Centre for Genomic Regulation di Barcellona hanno trovato prove che le cellule secretorie specializzate trovate in queste creature uniche e antiche potrebbero aver dato origine a neuroni in animali più complessi.
I placozoi sono piccoli animali, dalle dimensioni di un grosso granello di sabbia. Essi pascolano alghe e microbi sulla superficie delle rocce e in altri substrati che si trovano in mari caldi e poco profondi. Le creature simili a macchie e a forma di frittella sono così semplici che vivono senza parti del corpo o organi. Questi animali, che si ritiene siano apparsi per la prima volta sulla Terra circa 800 milioni di anni fa, costituiscono uno dei cinque principali lignaggi animali insieme a Ctenophora (gelatine a pettine), Porifera (spugne), Cnidaria (coralli, anemoni di mare e meduse) e Bilateria (tutti altri animali).
Le creature marine coordinano il loro comportamento grazie alle cellule peptidergiche, particolari tipi di cellule che rilasciano piccoli peptidi in grado di dirigere il movimento o l'alimentazione dell'animale. Spinti dall'intrigo dell'origine di queste cellule, gli autori dello studio hanno utilizzato una serie di tecniche molecolari e modelli computazionali per comprendere come si sono evoluti i tipi di cellule placozoiche e ricostruire l'aspetto e il funzionamento dei nostri antichi antenati.
Ricostruire tipi cellulari antichi
I ricercatori hanno innanzitutto creato una mappa di tutti i diversi tipi di cellule dei placozoi, annotando le loro caratteristiche in quattro specie diverse. Ogni tipo di cellula ha un ruolo specializzato che deriva da determinati gruppi di geni. Le mappe o “atlanti cellulari” hanno permesso ai ricercatori di tracciare un grafico di cluster o “moduli” di questi geni. Hanno poi creato una mappa delle regioni regolatrici del DNA che controllano questi moduli genetici, rivelando un quadro chiaro di ciò che fa ciascuna cellula e di come lavorano insieme. Infine, hanno effettuato confronti tra specie per ricostruire come si sono evoluti i tipi di cellule.
La ricerca ha dimostrato che i nove tipi cellulari principali dei placozoi sembrano essere collegati da molti tipi cellulari “intermedi” che cambiano da un tipo all'altro. Le cellule crescono e si dividono, mantenendo il delicato equilibrio dei tipi cellulari necessari affinché l'animale possa muoversi e mangiare. I ricercatori hanno anche trovato quattordici diversi tipi di cellule peptidergiche, ma queste erano diverse da tutte le altre cellule, non mostravano tipi intermedi o alcun segno di crescita o divisione.
Sorprendentemente, le cellule peptidergiche condividevano molte somiglianze con i neuroni, un tipo di cellula che non apparve se non molti milioni di anni dopo in animali più avanzati come i bilateria. Le analisi tra specie hanno rivelato che queste somiglianze sono uniche per i placozoi e non compaiono in altri animali che si ramificano precocemente come le spugne o le gelatine di pettine (ctenofori).
Trampolini di lancio evolutivi
Le somiglianze tra cellule peptidergiche e neuroni erano triplici. In primo luogo, i ricercatori hanno scoperto che queste cellule placozoiche si differenziano da una popolazione di cellule epiteliali progenitrici attraverso segnali di sviluppo che assomigliano alla neurogenesi, il processo mediante il quale si formano nuovi neuroni, negli Cnidaria e nei bilateria.
In secondo luogo, hanno scoperto che le cellule peptidergiche hanno molti moduli genetici necessari per costruire la parte di un neurone che può inviare un messaggio (l'impalcatura pre-sinaptica). Tuttavia, queste cellule sono lungi dall'essere un vero neurone, poiché mancano dei componenti per la ricezione di un messaggio neuronale (post-sinaptico) o dei componenti necessari per condurre i segnali elettrici.
Infine, gli autori hanno utilizzato tecniche di deep learning per dimostrare che i tipi di cellule dei placozoi comunicano tra loro utilizzando un sistema nelle cellule in cui proteine specifiche, chiamate GPCRs (G-protein coupled receptors), rilevano segnali esterni e avviano una serie di reazioni all’interno della cellula. Questi segnali esterni sono mediati da neuropeptidi, messaggeri chimici utilizzati dai neuroni in molti processi fisiologici diversi.
«Siamo rimasti sbalorditi dai paralleli», afferma il dottor Sebastián R. Najle (2), co-primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato presso il Center for Genomic Adjustment. «Le cellule peptidergiche placozoiche hanno molte somiglianze con le cellule neuronali primitive, anche se non sono ancora del tutto arrivate. È come guardare un trampolino di lancio evolutivo».
L'alba del neurone
Lo studio dimostra che gli elementi costitutivi del neurone si formarono 800 milioni di anni fa in animali ancestrali che pascolavano in modo poco appariscente nei mari poco profondi dell’antica Terra. Da un punto di vista evolutivo, i primi neuroni potrebbero aver iniziato come qualcosa di simile alle cellule secretrici peptidergiche degli odierni placozoi. Queste cellule comunicavano utilizzando neuropeptidi, ma alla fine acquisirono nuovi moduli genetici che consentirono alle cellule di creare impalcature post-sinaptiche, formare assoni e dendriti e creare canali ionici che generano segnali elettrici veloci: innovazioni che furono fondamentali per l'alba dei neuroni, circa cento milioni di persone anni dopo la prima apparizione sulla Terra degli antenati dei placozoi.
Tuttavia, la storia evolutiva completa dei sistemi nervosi deve ancora essere raccontata. Si pensa che il primo neurone moderno abbia avuto origine nell'antenato comune degli cnidari e dei bilateri circa 650 milioni di anni fa. Eppure, negli ctenofori esistono cellule simili a quelle neuronali, sebbene presentino importanti differenze strutturali e manchino dell’espressione della maggior parte dei geni presenti nei neuroni moderni. La presenza di alcuni di questi geni neuronali nelle cellule dei placozoi e la loro assenza negli ctenofori solleva nuove domande sulla traiettoria evolutiva dei neuroni.
Gli autori dello studio ritengono che, man mano che i ricercatori di tutto il mondo continuano a sequenziare genomi di alta qualità di specie diverse, le origini dei neuroni e l’evoluzione di altri tipi di cellule diventeranno sempre più chiare. «Le cellule sono le unità fondamentali della vita, quindi capire come nascono o cambiano nel tempo è la chiave per spiegare la storia evolutiva della vita. Placozoi, ctenofori, spugne e altri animali modello non tradizionali nascondono segreti che stiamo appena iniziando a svelare», conclude il professore di ricerca dell’ICREA Arnau Sebé-Pedros (3), autore corrispondente dello studio e Junior Group Leader presso il Center for Genomic Adjustment.
Riferimenti:
(1) Stepwise emergence of the neuronal gene expression program in early animal evolution
Descrizione foto: Immagine al microscopio confocale dei nuclei, colorati in base alla profondità, di Trichoplax sp. H2, una delle quattro specie di placozoo per le quali gli autori dello studio hanno realizzato un atlante cellulare. - Credit: Sebastian R. Najle/Centro de Regulación Genómica.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tiny sea creatures reveal the ancient origins of neurons