Плакозоа координируют свое поведение благодаря пептидергическим клеткам — особым типам клеток, которые выделяют небольшие пептиды, способные управлять движением или питанием животного. Они предположительно являются одной из пяти основных линий животных наряду с Ctenophora (гребневики), Porifera (губки), Cnidaria (кораллы, морские анемоны и медузы) и Bilateria (все другие животные). Авторы исследования использовали ряд молекулярных методов и вычислительных моделей, чтобы понять, как развивались типы клеток плакозой, и определить, как наши древние предки могли выглядеть и функционировать.
Исследователи сначала составили карту всех типов клеток плакозой, отметив их характеристики у четырех разных видов. Каждый тип клеток выполняет особую роль, которая определяется определенным набором генов. Эти «клеточные атласы» позволили исследователям составить карту модулей этих генов. Затем они создали карту регуляторных областей ДНК, которые контролируют эти генные модули, раскрывая четкую картину того, что делает каждая клетка и как они работают вместе. Наконец, они провели межвидовое сравнение, чтобы реконструировать эволюцию типов клеток.
Исследование показало, что клетки плакозой имеют сложную иерархическую структуру, состоящую из основных типов клеток и промежуточных переходных форм. Клетки поддерживают баланс и превращаются из одного типа в другой в процессе роста и деления, что обеспечивает передвижение и питание животного. Однако пептидергические клетки отличаются от остальных клеток и не показывают промежуточных форм или признаков роста и деления.
Удивительно, но пептидергические клетки имеют много общего с нейронами, которые появились у более развитых животных спустя много миллионов лет. Это сходство уникально для плакозой и не наблюдается у других ранних ветвей эволюции, таких как губки или гребневики.
Во-первых, плакозойные клетки дифференцируются из популяции эпителиальных клеток-предшественников посредством сигналов развития, которые напоминают нейрогенез — процесс формирования новых нейронов. Во-вторых, пептидергические клетки содержат множество генных модулей, необходимых для построения той части нейрона, которая может отправлять сообщение (пресинаптический каркас). Однако эти клетки далеки от настоящих нейронов, поскольку у них нет компонентов для приема нейронного сообщения или проведения электрических сигналов.
Методы глубокого обучения показали, что типы клеток плакозой общаются друг с другом, используя внутриклеточную систему, в которой специфические белки, называемые GPCR (рецепторы, связанные с G-белком), обнаруживают внешние сигналы и запускают серию реакций внутри клетки. Эти внешние сигналы передаются нейропептидами, химическими «мессенджерами», используемыми нейронами во многих физиологических процессах. Таким образом, строительные блоки нейронов появились 800 млн лет назад у этих древних животных, обитающих в мелководных морях. Ранние нейроны, вероятно, развились из пептидергических секреторных клеток, которые использовали нейропептиды для общения. Со временем эти клетки приобрели новые генетические модули, позволяющие им формировать структуры нейронов — аксоны, дендриты и ионные каналы для быстрых электрических сигналов. Это стало ключевым моментом в эволюции нейронов, появившихся через 100 млн лет после появления предков плакозой.
Считается, что первый современный нейрон произошел от общего предка книдарий и билатерий 650 млн лет назад. И все же нейроноподобные клетки существуют в гребневиках, хотя они имеют важные структурные различия и лишены экспрессии большинства генов, обнаруженных в современных нейронах. Присутствие некоторых из этих нейрональных генов в клетках плакозой и их отсутствие в гребневиках ставит новые вопросы об эволюционной траектории нейронов.
