Un nuovo studio sui neuroni, trovati nei primi lignaggi animali divergenti, rivela indizi chiave sulla forma del sistema nervoso più ancestrale e su come si è evoluto per la prima volta
Le origini evolutive dei neuroni rimangono sconosciute. Sebbene i recenti dati sul genoma di animali con ramificazioni precoci esistenti abbiano dimostrato che i geni neurali esistevano nell'antenato comune degli animali, le proprietà fisiologiche e genetiche dei neuroni nella prima fase evolutiva non sono ancora chiare. I neuroni, le cellule specializzate del sistema nervoso, sono forse il tipo di cellula più complicato che si sia mai evoluto. Negli esseri umani, queste cellule sono in grado di elaborare e trasmettere grandi quantità di informazioni. Ma come siano nate cellule così complicate per la prima volta rimane un dibattito di lunga data.
Ora, gli scienziati in Giappone hanno rivelato il tipo di messaggero - molecole che trasportano segnali da una cellula all'altra - che probabilmente funzionava nel sistema nervoso più ancestrale.
Lo studio, pubblicato su Nature Ecology and Evolution (1), ha anche rivelato somiglianze chiave tra il sistema nervoso di due primi lignaggi animali divergenti: il lignaggio delle meduse e degli anemoni (chiamati anche cnidari o celenterati) e quello delle gelatine a favo (ctenofori), riaccendendo un ipotesi precedente che i neuroni si siano evoluti solo una volta.
Nonostante la loro presunta semplicità, si sa molto poco del sistema nervoso degli animali antichi. Dei quattro lignaggi animali che si sono ramificati prima dell'ascesa di animali più complessi, solo le gelatine di favo (il primo antico lignaggio a divergere) e gli cnidari (l'ultimo antico lignaggio a divergere) sono noti per possedere neuroni. Ma l'unicità del sistema nervoso delle gelatine a pettine rispetto a quello visto negli cnidari e negli animali più complessi e l'assenza di neuroni nei due lignaggi che divergevano nel mezzo, hanno portato alcuni scienziati a ipotizzare che i neuroni si siano evoluti due volte.
Ma il professor Hiroshi Watanabe (2), che dirige l'Unità di neurobiologia evolutiva presso l'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), non è rimasto convinto. Egli dice: «In effetti, le gelatine a pettine mancano di molte proteine neurali che vediamo nei lignaggi animali più evoluti. Ma per me, la mancanza di queste proteine non è una prova sufficiente per due origini neuronali indipendenti».
Nel suo studio, il professor Watanabe si è concentrato su un antico e diversificato gruppo di messaggeri neurali. Chiamate neuropeptidi, queste brevi catene peptidiche vengono prima sintetizzate nei neuroni come una lunga catena peptidica, prima di essere scisse dagli enzimi digestivi in molti peptidi corti. Sono la principale forma di messaggero che si trova negli cnidari e svolgono anche un ruolo nella comunicazione neurale negli esseri umani e in altri animali complessi.
Tuttavia, la ricerca passata che ha tentato di trovare neuropeptidi simili nelle gelatine a pettine non ha avuto successo. Il problema principale, ha spiegato il professor Watanabe, è che i peptidi corti maturi sono codificati solo da brevi sequenze di DNA e mutano frequentemente in questi antichi lignaggi, rendendo troppo difficili i confronti del DNA. Sebbene l'intelligenza artificiale abbia identificato potenziali peptidi, questi non sono stati ancora convalidati sperimentalmente.
Quindi, il team di ricerca del Professor Watanabe ha affrontato il problema da una nuova direzione. Hanno estratto peptidi da spugne, cnidari e gelatine a pettine e hanno utilizzato la spettrometria di massa per cercare peptidi corti. Il team è stato in grado di trovare 28 peptidi corti in cnidari e gelatine di favi e determinarne le sequenze di aminoacidi.
Ora conoscendo le loro strutture, i ricercatori hanno visualizzato i peptidi corti al microscopio a fluorescenza, consentendo loro di vedere in quali cellule sono stati prodotti sia negli cnidari che nelle gelatine a pettine.
Nelle gelatine a pettine, hanno scoperto che un tipo di cellula che esprime neuropeptidi sembrava simile ai neuroni classici, con sottili proiezioni chiamate neuriti che si estendevano dalla cellula.
Ma i peptidi corti sono stati prodotti anche in un secondo tipo di cellula che mancava di neuriti. I ricercatori sospettano che queste potrebbero essere una prima versione delle cellule neuroendocrine, cellule che ricevono segnali dai neuroni e quindi rilasciano segnali, come gli ormoni, ad altri organi del corpo.
I ricercatori hanno anche confrontato quali geni erano espressi nei neuroni cnidari e gelatinosi. Hanno scoperto che, oltre ad avere alcuni brevi neuropeptidi in comune, entrambi i neuroni esprimevano anche una gamma simile di altre proteine essenziali per la funzione neuronale.
«Sappiamo già che i neuroni che esprimono i peptidi cnidari sono omologhi a quelli visti negli animali più complessi. Ora, è stato scoperto che anche i neuroni della gelatina a pettine hanno una “firma genetica” simile, suggerendo che questi neuroni condividono la stessa origine evolutiva», ha affermato il dottor Watanabe. «In altre parole, è molto probabile che i neuroni si siano evoluti solo una volta. Ciò significa che i neuroni che esprimono i peptidi sono probabilmente la forma più ancestrale, con neurotrasmettitori chimici che sorgono più tardi».
Per il Hiroshi Watanabe, questi risultati portano nuove ed entusiasmanti domande in primo piano nella sua ricerca.
Riferimenti:
(1) Mass spectrometry of short peptides reveals common features of metazoan peptidergic neurons
(2) Hiroshi Watanabe
Descrizione foto: Una specie di gelatina a pettine ospitata nell'Unità di Neurobiologia Evolutiva, OIST. - Credit: Soumen Jana/ OIST.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Into the brain of comb jellies: scientists explore the evolution of neurons