私たちの人間の脳は、進化の最高の成果のように見えるかもしれませんが、その成果のルーツは深くあります。現代の脳は、何億年にもわたって複雑さが徐々に進歩してきたことから生まれました。進化生物学者は、中枢神経系を持つすべての生物であるバイラテリアンを含む動物の系統樹の枝を通じてその進歩をたどってきましたが、神経系の基本的な要素がはるかに早く存在していたことは明らかです.
英国のエクセター大学の研究者チームによる最近の発見により、どのくらい早くなったかが劇的に明らかになりました。彼らは、神経系で使用される 2 つの重要な神経伝達物質、またはシグナル伝達分子の化学的前駆体が、中枢神経系を持つ生物に先行するすべての主要な動物群に現れることを発見しました.
しかし、大きな驚きは、これらの分子が襟鞭毛虫と呼ばれる動物の単細胞近縁種にも存在することです。この発見は、動物の神経ペプチドが最初の動物の進化よりも前に発生したことを示しています.
この発見は、「動物の神経ペプチドがいつ、どのように進化したかについての長年の疑問を解決するものです」と、ノルウェーのサーズ国際海洋分子生物学センターでニューロンの進化的起源を研究しているパウエル・バークハルトは述べた。また、私たちの脳の働きに不可欠なシグナル伝達分子の少なくとも一部が、単一の細胞のみからなる生物でまったく異なる目的のために最初に進化したことも示しています.
動物の神経系は、互いに接続するニューロンで構成されており、さまざまな小さなペプチド神経伝達物質を使用して、シナプス全体に情報を転送します。これらのペプチドは、ニューロンが互いに話す言語です。
しかし、進化生物学者がどの動物細胞が最初にその言語を使い始めたかを推測しようとしたとき、初期の動物進化の曖昧さが邪魔をしました。神経ペプチドに非常によく似たさまざまな分子が、クセノフォア (クシクラゲ) や刺胞動物 (クラゲ、サンゴ、イソギンチャク) など、ほぼすべての初期の動物グループによって作られています。ニューロンに似た細胞を持たない、非常に単純なプラコゾアンと呼ばれる動物でさえ、神経ペプチドを作ります。海綿は唯一の例外であると思われました.海綿が動物の木の残りの部分から枝分かれした後、動物の神経ペプチドは刺胞動物またはクテノフォアに由来すると一般に考えられていました.
しかし、その理論の問題点は、初期の動物グループの神経ペプチドのアミノ酸配列が二国間の神経ペプチドとは非常に異なっているため、それらの祖先であるほど類似しているようには見えないことです.さらに悪いことに、さまざまな無関係な神経ペプチドも、多くの単細胞動物または原生動物によって作られています.脳神経ペプチドの進化の軌跡は、茂みの中に消えてしまったようです.
この行き詰まりは、エクセター大学の Gáspár Jékely の研究室で進化神経生物学を研究している Luis Yañez-Guerra によって最近破られました。さまざまな動物の神経ペプチドの起源と進化を追跡するために、Yañez-Guerra は神経ペプチドを初期分岐動物とその近縁種である襟鞭毛虫の進化系統樹にマッピングしました。
博士号の研究から、彼はすでに動物の神経ペプチドの膨大なリストを作成しており、動物の系統樹のさらに下にそれらを探し始めたとき、彼は襟鞭毛虫が 2 つの成熟した神経ペプチド、フェニキシンとネスファチンのタンパク質前駆体を作っていることに気づきました。
神経ペプチドは通常、送信側ニューロンと受信側ニューロンのコンテキストで表示されるため、鞭毛藻におけるそれらの存在は驚きでした。 「単細胞生物では、それを理解するのはより困難です」と、Yañez-Guerra は言いました。 「これは、これらのニューロン分子が、細胞と細胞の間の広範なコミュニケーションが必要になる前から進化し始めたことを示しています。だからこそ、ちょっと衝撃的でした。」
フェニキシンとネスファチンの前駆体は、神経系によって神経ペプチドとして直接使用されることはありません。代わりに、これらの長いペプチドは、切り刻まれてより小さな分子に処理される化学前駆体であり、機能的で成熟した神経ペプチドになります.彼らの隠されたアイデンティティが、彼らが以前に有望なリードとして特定されなかった理由かもしれません.
遺伝子発現データのさらなる調査により、フェニキシンとネスファチンが神経ペプチドの進化を理解するための鍵である可能性があるという Yañez-Guerra の予感が確認されました。前駆体ペプチドは襟鞭毛虫に存在しただけでなく、初期のすべての動物グループにも存在し、見落とされていた海綿にも存在していました.
鞭毛藻の前駆体分子が、すべての動物に見られるこれらの神経ペプチドに直接結合していることを考えると、Burkhardt は、「すべての動物の最後の共通の祖先は、少なくとも 2 つの神経ペプチドを持っていた可能性が高い」と説明しました。
自然に発生する問題は、神経シグナル伝達ではなかったはずの神経ペプチド前駆体が襟鞭毛虫で何をしていたのかということです。決定的な答えはまだありません。襟鞭毛虫は、成熟したフェニキシン神経ペプチドを産生するように見えますが、成熟したネスファチン神経ペプチドは産生しません。襟鞭毛虫は、フェニキシン神経ペプチドを使用して互いに通信した可能性があります。たとえば、襟鞭毛虫コロニーの形成を調整するためです。
しかし、Yañez-Guerra と彼の同僚は論文の中で、前駆体が多機能の「ムーンライト」分子である可能性も示唆しています。彼らは、ペプチド配列に基づいて、両方の前駆体が分泌分子である可能性が高いと指摘しています。彼らはまた、フェニキシン前駆体を処理して神経ペプチドを生成することができますが、その一部は、ミトコンドリアのエネルギー収穫装置の重要な複合体を形成するためにタンパク質が正しく折り畳まれることを保証する「シャペロン」にもなり得ることにも注目しました.
前駆体の進化の間、これらの「副業」機能に対する選択圧は、細胞間シグナル伝達の必要性よりも大きな要因であった可能性があります。現在、Yañez-Guerra と Burkhardt は、その機能をよりよく理解するために、フェニキシン前駆体を欠いている変異鞭毛虫を研究するために協力しています。彼らはまた、神経ペプチドを受け取る鞭毛藻の受容体分子を探しています.
残念ながら、これら 2 つの神経ペプチド前駆体がすべての動物に共有されているという事実は、神経系の初期進化を単純化することはほとんどありません。昨年 12 月、サーズ センターの Mariia Sachkova と彼女の同僚は Burkhardt と協力して、機械学習ツールの助けを借りて、クテノフォア ゲノムにエンコードされた多くの特異な神経ペプチドを特定したことを報告しました。
クテノフォア神経系の特徴は神経ペプチドだけではありません。その神経ネットワークの構造は非常に珍しいため、人間や他の動物に見られるものとは独立して進化したのではないかと研究者は考えています。なぜクテノフォアが異なることをするのかは謎ですが、神経系が進化の初期に途方もない実験と革新の期間を経たこと、そしてその実験の少なくとも一部が動物が存在する前に始まったことは明らかです.
訂正:2022 年 6 月 13 日
最初の画像に描かれている微生物は、襟鞭毛虫と誤認されました。襟鞭毛虫のグループの実際の画像に置き換えられました。
