Nowe badanie ujawnia, że pewne kanały jonowe istniały przed najwcześniejszym wspólnym przodkiem zwierząt.
Niedawne badania zmieniły konwencjonalnie rozumianą historię ewolucji kluczowych białek niezbędnych do sygnalizacji elektrycznej w układzie nerwowym. Badanie przeprowadzone przez naukowców z Penn State ujawnia, że dobrze znana rodzina białek – kanały jonowe potasu z rodziny Shakerów – istniała w mikroskopijnych organizmach jednokomórkowych na długo przed wspólnym przodkiem wszystkich zwierząt.
Sugeruje to, że zamiast ewoluować wraz z układem nerwowym, jak wcześniej sądzono, te kanały jonowe były obecne przed powstaniem układu nerwowego.
Badanie ukazało się w Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
„Mamy tendencję do myślenia o ewolucji jako o marszu w jedną stronę w kierunku coraz większej złożoności, ale często tak nie jest w świecie przyrody” – powiedział Timothy Jegla, profesor biologii w Penn State Eberly College of Science and lider zespołu badawczego. „Na przykład sądzono, że w miarę ewolucji różnych gatunków zwierząt i zwiększania się złożoności układu nerwowego, pojawiały się i różnicowały kanały jonowe, aby dopasować się do tej złożoności. Jednak nasze badania sugerują, że tak nie jest. Wcześniej wykazaliśmy, że najstarsze żyjące zwierzęta, te z prostymi sieciami nerwowymi, mają największą różnorodność kanałów jonowych. To nowe odkrycie stanowi coraz więcej dowodów na to, że wiele elementów składowych układu nerwowego istniało już u naszych przodków – pierwotniaków – zanim w ogóle istniał układ nerwowy”.
Zrozumienie kanałów jonowych
Kanały jonowe znajdują się w błonach komórkowych i regulują sposób, w jaki naładowane cząstki zwane jonami przemieszczają się do i z komórki. Jest to proces, w wyniku którego powstają sygnały elektryczne stanowiące podstawę komunikacji w układzie nerwowym. Rodzina kanałów jonowych Shaker występuje u wielu zwierząt, od ludzi po myszy i muszki owocowe, i w szczególności reguluje sposób, w jaki jony potasu wypływają z komórki, aby zakończyć sygnały elektryczne zwane potencjałami czynnościowymi. Kanały te mogą się otwierać lub zamykać w zależności od zmian pola elektrycznego, podobnie jak tranzystory w chipach komputerowych.
„Wiele z tego, co wiemy o działaniu kanałów jonowych na poziomie molekularnym, pochodzi z badań mechanistycznych rodziny kanałów jonowych Shaker” – powiedział Jegla. „Wcześniej myśleliśmy, że rodzinę kanałów potasowych bramkowanych napięciem Shakera znaleziono tylko u zwierząt, ale teraz widzimy, że geny kodujące tę rodzinę kanałów jonowych były obecne w kilku gatunek z najbliższych żyjących krewnych zwierząt, grupa organizmów jednokomórkowych zwanych choanoflagellates”.
Naukowcy szukali już tych genów u dwóch gatunków wiciowców, ale ich nie znaleźli. W bieżącym badaniu rozszerzyli swoje poszukiwania na 21 gatunków wiciowców i znaleźli dowody na obecność genów rodziny Shaker u trzech z tych gatunków.
Ewolucja typów kanałów jonowych
W całym królestwie zwierząt występuje kilka podrodzin lub typów kanałów jonowych w rodzinie Shaker. Zespół badawczy odkrył wcześniej, że galaretki grzebieniowe – zwierzęta ze stosunkowo prostymi „sieciami nerwowymi”, które uważa się za podobne do pierwszych zwierzęcych układów nerwowych – mają tylko jeden z tych typów, zwany Kv1. To doprowadziło zespół do przekonania, że wspólny przodek zwierząt prawdopodobnie miał tylko Kv1, a inne typy wyewoluowały później. Jednakże Jegla i współpracownicy odkryli, że geny rodziny Shaker w wiciowcach były bliżej spokrewnione z typami Kv2, Kv3 i Kv4.
„Myśleliśmy, że typy od 2 do 4 wyewoluowały w nowszej linii czasu, ale nasza nowa praca sugeruje, że kanały podobne do Kv2-4 występujące w wiciowcach są w rzeczywistości najstarszym podtypem” – powiedziała Jegla.
Ponadto odkrycie to wskazuje, że u podstawy drzewa genealogicznego zwierząt znajdowało się wiele podtypów, w tym Kv1, które można znaleźć w galaretkach grzebieniowych, oraz kanały podobne do Kv2-4, które można znaleźć w wiciowcach.
„Geny podobne do Kv2-4 zostały utracone u żyjących potomków najwcześniejszych grup zwierząt, takich jak galaretki grzebieniowe i gąbki, więc jedynym powodem, dla którego wiemy, że były one obecne u najwcześniejszych zwierząt, jest zasługa wiciowców” – dodał Jegla. „Utrata genów jest naprawdę powszechna w ewolucji – mniej więcej tak powszechna jak ewolucja nowych genów – chociaż może być trudna do wykrycia. Teraz, gdy sekwencjonowanie genetyczne jest na tyle tanie, że naukowcy mogą badać próbki z szerokiego zakresu gatunków, zamiast skupiać się tylko na kilku reprezentatywnych gatunkach, możemy wykryć znacznie więcej strat genów, co zmieni nasze poglądy na temat tego, ile naszych własnych rodzin genów wyewoluowało najpierw .”
Praca ta dostarcza także coraz większej liczby dowodów na to, że wiele elementów układu nerwowego istniało, zanim wyewoluował układ nerwowy jako całość – zauważyła Jegla.
„Większość funkcjonalnie ważnych białek wykorzystywanych w sygnalizacji elektrycznej, które leżą u podstaw komunikacji neuronowej i ruchu nerwowo-mięśniowego, opiera się na białkach, które istniały przed zwierzętami” – powiedział Jegla. „Wygląda na to, że zwierzęta były w stanie poskładać funkcjonujący układ nerwowy na bardzo wczesnym etapie swojej ewolucji po prostu dlatego, że większość niezbędnych białek już tam była”.
Jegla dodała, że zrozumienie ewolucji tych kanałów jonowych pomaga nam zrozumieć, jak działają, a to z kolei może mieć wpływ na leczenie zaburzeń związanych z dysfunkcją kanałów jonowych, takich jak zaburzenia rytmu serca i epilepsja.
Odniesienie: „Szerokie badanie choanoflagellatów rewiduje ewolucyjną historię rodziny Shakerów K bramkowanych napięciem+ kanały u zwierząt” Timothy’ego Jegli, Benjamina T. Simonsona i J. Davida Spafforda, 17 lipca 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2407461121
Oprócz Jegli w skład zespołu badawczego wchodzą Benjamin Simonson, absolwent programu nauk biologicznych molekularnych, komórkowych i integracyjnych w Huck Institutes of the Life Sciences i Eberly College of Science w Penn State, który niedawno obronił swoją rozprawę doktorską, oraz David Spafford, profesor biologii na Uniwersytecie im Uniwersytetu Waterloo który specjalizuje się w fizjologii wiciowców. Prace te wsparły fundusze Departamentu Biologii stanu Penn i Huck Institutes of the Life Sciences.
