Piccole creature marine rivelano le antiche origini dei neuroni

I placozoi sono piccoli animali, delle dimensioni di un grosso granello di sabbia, che pascolano alghe e microbi che vivono sulla superficie delle rocce e di 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), Poriferi (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 cnidari 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 GPCR (recettori accoppiati a proteine ​​G), 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 dott. Sebastián R. Najle, co-primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato presso il Center for Genomic Regulator. “Le cellule peptidergiche dei placozoi 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 intorno al centinaio. milioni di 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.

“I placozoi sono privi di neuroni, ma ora abbiamo trovato sorprendenti somiglianze molecolari con le nostre cellule neurali. I ctenofori hanno reti neurali, con differenze e somiglianze fondamentali con le nostre. I neuroni si sono evoluti una volta e poi divergono, o più di una volta, in parallelo? Lo sono sono un mosaico, in cui ogni pezzo ha un’origine diversa? Queste sono domande aperte che restano da affrontare”, afferma il dottor Xavier Grau-Bové, co-primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato presso il Center for Genomic Adjustment.

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 solo iniziando sbloccare”, conclude il professore di ricerca dell’ICREA Arnau Sebé-Pedros, autore corrispondente dello studio e Junior Group Leader presso il Center for Genomic Adjustment.