Откуда взялся мозг?

Чарльз Дарвин в книге «Способность к движению у растений» (написанной совместно с сыном Фрэнсисом) впервые определил кончик корня как центральный командный центр растения. В отличие от нашей собственной ориентации относительно гравитационного поля Земли, Дарвин предположил, что кончики корней представляют передний когнитивный полюс растения, а кончики побегов — задний. Согласно этой точке зрения, именно кончики корней отвечают за поиск и рост в направлении богатых питательными веществами и бедных токсинами участков почвы, в то время как побеги создают аппарат для полового размножения.

Ещё одно информативное сравнение можно провести между высокополяризованной корой головного мозга и деревьями. Пирамидальные нейроны протягивают сильно фрактализованные апикальные дендриты вверх, в корковый слой, в то время как их аксон пронизывает белую материю ниже, целенаправленно ветвясь. Чтобы понять, почему деревья, нервные системы или отдельные нейроны концентрируют ресурсы в определённых областях и создают уникальные ветвящиеся структуры, нужно определить химические партнёры и физические стимулы, к которым они стремятся и на которые реагируют.

В специальном выпуске Philosophical Transactions of the Royal Society Л. Мороз и соавторы прослеживают происхождение самых примитивных нервных систем, чтобы понять, как несколько из тысяч обычных молекул под клеточным контролем в итоге были «возведены в рыцари» в качестве нейротрансмиттеров. Хотя многие идеи в этой статье и в целом выпуске, посвящённом происхождению мозга, остаются гипотетическими, истину часто легче всего принять, когда она передаётся с элементом неожиданности. Поэтому маловероятное, но неизбежное возникновение нервных систем из-за простой потребности во внеклеточном пищеварении у эволюционирующих многоклеточных форм — идея, которую легко «проглотить», если обнажить соответствующие химические связи.

В данном случае убедительная нарративная линия такова: первыми должны были эволюционировать пептидные или белковые нейротрансмиттеры. Генетические данные указывают, что секретируемые протеолитические пищеварительные ферменты и пептидные токсины с легко адаптируемой трёхмерной структурой были ранними молекулярными мишенями, на которых продуктивно действовал естественный отбор. Многие сигнальные пептиды, в основном образующиеся в аппарате Гольджи, в свою очередь, генерируются из более крупных пропептидов путём последовательных шагов протеолиза и химической модификации. Расщепление часто происходит по ди- или монобазовым сайтам (например, лизин-аргинин) с помощью пропротеинконвертаз с последующим C-концевым α-амидированием, где бифункциональный фермент пептидилглицин-α-амидирующая монооксигеназа (PAM) превращает C-концевой глицин в амид.

В отдельной статье автор Гаспар Екели даёт дополнительные пояснения о том, как впервые появились пептидергические сигнальные механизмы. Он отмечает, что PAM-процессинг предшествовал нервным системам и присутствует у зелёной водоросли Chlamydomonas reinhardtii. Он локализован в ресничках этих организмов, где необходим для их правильного формирования. Скрининг методом масс-спектрометрии показал, что субстраты PAM у Chlamydomonas включают хемоаттрактантные пептиды, которые высвобождаются на эктосомах ресничек для привлечения гамет минусового типа спаривания. Наличие этого аппарата для передачи сигналов от клетки к клетке у зелёных водорослей раскрывает удивительно глубокое эволюционное происхождение ключевой линии производства амидированных нейропептидов.

Химическая гипотеза мозга Екели постулирует, что нейротрансмиттеры появились раньше синапсов и нейритов, а не наоборот. Другими словами, трансмиттеры создают нервные системы. Он также предполагает, что эволюция кровеносных систем и нейрогемальных органов сняла ограничения, накладываемые на пептидергическую сигнализацию диффузией. Так называемое гемоцельное кровообращение в первичной полости тела беспозвоночных в сочетании с высвобождением пептидов обеспечивало быструю проводимость сигналов по всё увеличивающемуся телу. Хотя это интригующе, также верно, что примитивные нервные системы, которые предшествовали современным кровеносным системам (с оксигенирующими и иммунными клетками), также распределяют питательные вещества и метаболиты и, возможно, изначально эволюционировали именно для этой цели.

Конечная клеточная питательная субстанция — целые митохондрии. Многие типы клеток, особенно иммунные, имеют любопытную склонность к секреции митохондриальной ДНК, а часто и целых митохондрий, внутри различных типов мембранных оболочек. Они образуют специальные нанотрубки (напоминающие те, что используются при бактериальном конъюгационном обмене) и выпячивания филоподий, приводимые в движение тубулином, чтобы проводить и изгонять эти органеллы. В зависимости от текущего состояния клетки-донора и того, является ли клетка-акцептор другом или врагом, им дарят или «атакуют» их митохондриями разного состояния здоровья и окислительного статуса. Более радикальная, но отнюдь не беспочвенная гипотеза заключается в том, что нейроны эволюционировали, чтобы увеличить дальность и специфичность такого рода митохондриальных трансферов.

В другой статье Детлев Арендт отмечает, что по мере возникновения многоклеточных животных в мире ассоциированной с хозяином и, вероятно, симбиотической микробиоты, организмы могли развивать нейронные фенотипы как иммунные медиаторы, различающие «своё» и «чужое» в своих кишечных полостях. Он отмечает множество сходств между нейронами вентральной нервной трубки и секреторными клетками панкреатических островков. Помимо схожего синаптического аппарата для высвобождения нейропептидов и трансмиттеров, стимулируемого потенциалом действия, комбинации транскрипционных факторов, определяющих эти типы клеток, перекрываются.

Например, оба типа клеток используют гомеодомен-факторы mnx, nk6, pax6 и Islet, а также фактор транскрипции onecut hnf6 на ранних стадиях дифференцировки. Эти сходства между вентральной нервной трубкой позвоночных и происходящими из передней кишки клетками панкреатических островков могут быть эволюционными производными сенсорно-нейросекреторных клеток в пищеварительном мукоцилиарном слое. В подтверждение этого, та же общая сигнатура транскрипционных факторов также обнаруживается у определённых нейронов и клеток кишечника морского ежа, у нейросекреторных клеток, производных от глоточного эктодерма в книдарии Nematostella, и у секреторных пищеварительных хоаноцитов демоспонгии Spongilla.

Постепенный переход от пептидных трансмиттеров к производным отдельных аминокислот или другим малым химическим веществам сосредоточился всего на нескольких ключевых игроках: глутамат, ГАМК, глицин, АТФ, NO и протоны. Все они относительно дёшевы и легко производятся в больших количествах за короткое время. Мороз и соавт. объясняют универсальное сохранение именно этих молекул в операциях передачи сигналов с точки зрения реакции на повреждение/регенерацию. Питание может быть опасным предприятием, особенно если вы одноклеточный организм или небольшая колония, пытающаяся съесть что-то сопоставимое с вами по размеру. Питание часто включает врождённую иммунную защиту от потенциальных патогенов, включая NO и локальное применение контртоксинов. Все вышеперечисленные метаболиты способны индуцировать хорошо скоординированные реакции экспрессии генов на повреждение у примитивных организмов, а также у высших растений и животных. Классический пример — роль глутамата у растений, где повреждение в итоге запускает дальний кальций-зависимый ответ.

Пути современных нейротрансмиттеров, включая серотонин, дофамин, норадреналин, адреналин, октопамин, тирамин, гистамин и ацетилхолин, не были убедительно обнаружены у низших ветвей филогенетического дерева. Это включает такие организмы, как гребневики, пластинчатые, губки и большинство книдарий. На сегодняшний день наиболее отдалённой гомологичной линией любого отдельного нейрона, вероятно, является метацеребральная клетка (MCC). Эти гигантные парные серотонин-содержащие интернейроны участвуют в пищевом возбуждении, и их потомков можно распознать у всех Euthyneura (по сути, улиток и слизней). Это уровень подклассов моллюсков, разделённых более чем 380 миллионами лет эволюции в каждом направлении, что имеет огромное значение для понимания ранних нервных систем.

Многое из того, что мы знаем сегодня о трансмиттерах, получено из генетических исследований их рецепторов и ферментов синтеза. Это сложная задача, потому что оба типа белков эволюционно пластичны и, кажется, меняют последовательность и функцию по малейшему поводу. Например, тирозингидроксилаза (TH) и триптофангидроксилаза (TPH), зависимые от биоптерина, являются лимитирующими ферментами, ответственными за синтез катехоламиновых трансмиттеров и серотонина соответственно. Одна точечная мутация в TH (аспартат на валин в позиции D425V) почти полностью отменяет ферментативную активность по производству L-ДОФА, одновременно увеличивая специфичность к фенилаланину по сравнению с тирозином в 80 000 раз. Аналогично, G-белок-сопряжённые рецепторы, когда-то оптимизированные для связывания и трансдукции пептидных сигналов, превратились в детекторы более мелких лигандов-трансмиттеров.

У осьминога наличие никотиновых рецепторов в его присосках когда-то вызывало недоумение, потому что они не были чувствительны к ацетилхолину. Сейчас считается, что эти рецепторы потенциально активируются многими видами хемосенсорных стимулов, и их не следует ограничивать исходным названием. Поскольку история «что появилось раньше» для трансмиттеров и рецепторов теперь быстро раскрывается, некогда загадочное происхождение нервных систем, озадачивавшее додарвиновских мыслителей, становится очевидным.