Ионная селективность в нейронных сигнальных каналах эволюционировала дважды у животных

Возбуждение нейронов зависит от избирательного притока определённых ионов — натрия, кальция и калия — через специфические каналы. Эти каналы были ключевыми для эволюции нервной системы у животных. Как такие каналы могли развить свою селективность, оставалось загадкой. Йеху Моран и Ульрих Технау из Венского университета вместе с учёными из Тель-Авивского университета и Океанографического института Вудс-Хол (США) выяснили, что потенциал-зависимые натриевые каналы, ответственные за нейронную передачу сигналов у животных, эволюционировали дважды — у высших и низших животных. Результаты опубликованы в Cell Reports.

Открытие и закрытие ионных каналов обеспечивает поток ионов, который составляет основу электрической сигнализации во всех нервных системах. Каждая мысль или движение — результат высокоточного открытия и закрытия множества ионных каналов. В то время как каналы большинства низших животных и их одноклеточных родственников не различают ионы натрия и кальция, каналы высших животных высокоспецифичны к натрию. Эта характеристика важна для быстрой и точной передачи сигналов в сложной нервной системе.

Неожиданные результаты у морских анемонов и медуз

Исследователи обнаружили, что у группы базальных животных с простыми нервными сетями, включая морских анемонов и медуз, также есть потенциал-зависимые натриевые каналы. Они отличаются от каналов высших животных, но демонстрируют ту же селективность к натрию. Поскольку книдарии отделились от остальных животных более 600 миллионов лет назад, эти находки предполагают, что каналы как книдарий, так и высших животных возникли независимо дважды — от древних неселективных каналов, которые также пропускали кальций.

Поскольку многие другие процессы внутриклеточной сигнализации сильно зависят от ионов кальция, использование неселективных ионных каналов в нейронах случайно запускало бы различные сигнальные системы внутри клеток и причиняло бы вред. Поэтому эволюция селективности к ионам натрия считается важным шагом в развитии нервных систем с быстрой передачей сигналов. Это исследование показывает, что разные части канала изменялись конвергентным образом в ходе эволюции книдарий и высших животных для выполнения одной задачи — селекции ионов натрия.

Это демонстрирует, что ключевые компоненты для функциональной нервной системы эволюционировали дважды у базальных и высших животных. Это также предполагает, что более сложные нервные системы, полагающиеся на такие ион-селективные каналы, могли независимо возникнуть дважды.