2000 年代初頭に最初の海綿ゲノムの配列が決定されたとき、研究者は、海綿が人間や他の複雑な生物とほぼ同じ数の遺伝子を持っているだけでなく、同じ遺伝子を多く持っていることを発見して驚いた。スポンジは、動物の進化の系統樹の中で最も早い分岐系統の 1 つです。彼らの単純な体には、対称のパターンや決まった数のパーツさえありません。これらの遺伝子の存在は、筋肉の収縮やニューロンの分化などの機能に関する遺伝情報が、筋肉や神経系自体よりもはるかに古いことを意味していました.
しかし、これらの遺伝子はニューロンや筋肉のない動物で何をしていたのでしょうか?研究者は、経験に基づいた推測を行い、骨の折れる遺伝子ごとに発現パターンを調査することしかできませんでした.
しかし今日、ゲノム技術の急速な進歩を利用した新しい研究により、淡水海綿 Spongilla のどこで約 26,000 の遺伝子が発現しているかが明らかになりました。 .この遺伝子発現のアトラスは、これまでに記載されたことのないいくつかの細胞タイプを含む、スポンジの体全体の細胞タイプの遺伝的構成を明らかにします。それは、細胞型が最初にどのように進化したかについての重要なヒントを提供し、ニューロンが一度だけ進化したのか、それとも何度も進化したのかについての長くて厄介な議論を解決するのに役立つかもしれません.この研究は、Science の最新号に掲載されています .
デンバー大学で海綿の進化を研究しているスコット・ニコルズによると、この野心的な論文は以前の研究を「飛躍」させた。 「驚くべきことは、このデータセットから非常に魅力的な仮説が浮かび上がったことです」と彼は言いました。 「しかし、実験的にテストする必要があることを強く強調します。」
最も興味深い仮説は、スポンジの消化室内の細胞に関するものです。チャンバーには、指のような突起 (微絨毛) と鞭毛の襟を持つ、コアノサイトと呼ばれる特徴的な細胞が並んでいます。コアノサイトは鞭毛を叩いて消化室を通る水の流れを調節し、その間ずっと水が運ぶ小さな粒子や残骸を食べます.消化室には、何年も前に説明された可動性の「神経細胞」細胞も含まれていますが、その正体と機能は謎に包まれていました.
ハイデルベルクにある欧州分子生物学研究所の Detlev Arendt のチームは、ハイスループットの単一細胞 RNA 配列決定技術を使用して、神経伝達物質の受信と応答に関与するシナプス後「足場」をニューロン内で生成する遺伝子を有棘細胞が発現することを発見しました。彼らはまた、可動性神経様細胞が、典型的にはニューロンのシナプス前球で活性化される一連の遺伝子を発現することを発見しました。これにより研究者は、神経様細胞が有棘細胞と話している可能性があり、神経様細胞の仕事は消化室内の微生物環境をパトロールし、それに応じて有棘細胞の摂食行動を調節することである可能性があるという仮説を立てました.
プロジェクトを率いたアーレントの研究室のポスドク研究員であるジェイコブ・マッサーが、シナプス前遺伝子とシナプス後遺伝子が正確にどこで発現されているかを調べるためにスポンジを染色したとき、彼はシナプス前遺伝子を発現する神経様細胞が実際にシナプス後遺伝子を発現するコアノサイトの近くにあることを見た. .実際、神経様細胞は、コアノサイトに触れているように見える仮足の腕を伸ばしていました。
「これは明らかに本当に興味をそそるものでした」とムッサーは言いました。 「しかし、何が起こっているのかはわかりません。」
細胞が何をしているかのより詳細な画像を取得するために、Musser とチームは、ハンブルグの X 線シンクロトロン施設で集束イオンビーム電子顕微鏡を使用して、細胞の非常に高解像度の 3D 画像を取得しました。 15 ナノメートルと小さく、多くの折り畳まれたタンパク質とほぼ同じサイズです。彼らは、神経様細胞からの突起がコアノサイトの微絨毛カラーと鞭毛を包み込み、神経様細胞がニューロンのシナプス前球にあるような小胞を保持していることを確認しました。彼らは、おそらく小胞が神経伝達物質であるグルタミン酸を放出しているのではないかと考えています.
しかし、これらのスポンジが原始的なシナプスを持っていると想像するのは魅力的ですが、研究者は、神経細胞とコアノサイトの間の直接的で安定した接触を観察したことはありません.代わりに、セル間の接続は一時的なものに見えます。さらに、海綿の DNA には、ニューロンの神経伝達物質の放出を刺激する鋭い電気信号である活動電位を作り出すために必要ないくつかの重要なイオン チャネルの遺伝子が欠けています。
それにもかかわらず、海綿には神経系にさえ似ているものさえ何もないと常に考えられてきたので、海綿がニューロンと深い進化的関係を持つ細胞メカニズムを持っているという示唆は、「海綿生物学を神経細胞生物学に結びつけ、神経細胞がどこにあるかを理解するためのエキサイティングな道です。シグナル伝達は、動物に由来するものでした」と Nichols は言いました。
細胞の進化を研究している Maria Antonietta Tosches によると、ニューロンと神経系の起源、特にニューロンが 1 回発生したのか複数回発生したのかという問題は、進化発生生物学の分野で最も論争の的となっているトピックの 1 つです。コロンビア大学で脊椎動物の型を研究し、以前はアーレントの研究室で訓練を受けていました。この新しい研究からの発見は、神経細胞で発現するシナプス前遺伝子セットと、有棘細胞で発現するシナプス後遺伝子セットを研究者が発見したため、その謎に関係しているようです。 （両方の遺伝子セットは、他の細胞タイプでも活性でした。）この事実は、細胞間通信システムの送信側と受信側の両方を担う遺伝子モジュールが、さまざまなタイプの祖先動物細胞に配置されたことを示唆しています。したがって、ニューロンは、これらの遺伝子モジュールのさまざまなアプリケーションを通じて、繰り返し独立して進化した可能性があると Tosches 氏は述べています。
実際、海綿の多くの多機能細胞は、脊椎動物のようなより複雑な動物の特殊化された細胞に通常関連する遺伝子のモジュールを発現します。たとえば、海綿神経細胞は、ニューロンのシナプス前機構の一部を発現するだけでなく、免疫遺伝子も発現します。 （神経様細胞がスポンジの消化室の微生物含有量を監視している場合、これらの免疫遺伝子がその役割を支援している可能性があります。）スポンジには、筋肉細胞のように一斉に収縮して動物を圧迫し、老廃物や不要な破片を排除するピナコサイトと呼ばれる細胞もあります。;ピナコサイトには、血管拡張剤である一酸化窒素に反応するいくつかの感覚機構があります。
「一酸化窒素は血管内の平滑筋を弛緩させるものであり、血管が拡張すると一酸化窒素が弛緩を引き起こします」とムッサーは言いました。 「そして、一酸化窒素がこのスポンジの収縮も調節していることを、論文の実験を通じて実際に示しました。」グルタミン酸と同様に、一酸化窒素は海綿の原始的な行動を調整する初期のシグナル伝達メカニズムの一部であった可能性があると彼は示唆している.
「私たちのデータは、動物の進化の初期に多数の重要な機能機械が存在したというこの考えと非常に一致しています」とムッサーは言いました。 「そして、初期の動物の進化の多くは、これをさまざまな細胞に細分化し始めることでした。しかし、おそらくこれらの最初期の細胞タイプは非常に多機能であり、複数のことを行う必要がありました。」最も初期の動物細胞は、近縁の原生動物のように、おそらく細胞のスイス アーミー ナイフでなければなりませんでした。多細胞動物が進化するにつれて、それらの細胞はさまざまな役割を担った可能性があり、分業がより特殊な細胞型につながった可能性があります。しかし、動物の系統が異なれば、物事の分割方法や程度も異なる可能性があります。
遺伝的モジュールの混合と適合が初期の動物進化の重要なテーマであった場合、異なる種でのこれらのモジュールの配置と発現を比較することで、それらの歴史について、またそれらが無計画にシャッフルされる可能性についての制限について知ることができます。その答えを探している研究者の 1 人が Arnau Sebé-Pedrós です。Arnau Sebé-Pedrós は、バルセロナのゲノム調節センターで細胞型の進化を研究しており、2018 年にスポンジ、プラコゾアン、クシクラゲの細胞型の最初のアトラスを発表しました。
Sebé-Pedrós は、一緒に配置された遺伝子が調節機構を共有できるため、染色体に沿った遺伝子の空間配置が啓示的である可能性があると考えています。 「私は、動物ゲノムにおける遺伝子順序の保存の程度に完全にショックを受けています」と彼は言いました.彼は、機能的に関連する遺伝子のセットを共調節する必要性が、それらを同じ染色体近傍に保つのではないかと考えています.
科学者は、細胞の種類がどのように進化し、相互に関係するかについてまだ研究の初期段階にあります。しかし、動物進化のあいまいな起源を明らかにすることは重要ですが、海綿細胞アトラスは動物細胞生物学の可能性を明らかにすることによっても大きな貢献をしています。 「動物の起源そのものを理解することが重要であるだけでなく、他の動物について私たちが知っていることとは根本的に異なる可能性があることを理解することも重要です。」
