منذ حوالي 800 مليون سنة، بدأت الوحدات الأساسية لخلايا دماغنا تتشكل في المحيطات الضحلة. يقدم البحث المنشور في مجلة Cell رؤى جديدة حول تطور الخلايا العصبية، مع التركيز على الحيوانات الولودة، وهي حيوان بحري بحجم ملليمتر. اكتشف العلماء في مركز تنظيم الجينوم في برشلونة أن الخلايا الإفرازية المتخصصة في هذه الحيوانات القديمة والفريدة من نوعها ربما تكون قد أدت إلى ظهور الخلايا العصبية لحيوانات أكثر تعقيدًا.
الحيوانات الولودة هي حيوانات صغيرة الحجم، بحجم حبة رمل كبيرة تقريبًا، تتغذى في البحار الضحلة الدافئة على الطحالب والكائنات الحية الدقيقة التي تعيش على الأسطح الصخرية والركائز الأخرى. المخلوقات على شكل كرة وفطيرة بسيطة للغاية ولا تحتوي على أي أجزاء أو أعضاء في الجسم.
يُعتقد أن هذه الحيوانات ظهرت لأول مرة على الأرض منذ حوالي 800 مليون سنة، وهي واحدة من خمس شعب حيوانية رئيسية، إلى جانب Ctenophora وPorifera وCnidaria (الشعاب المرجانية وشقائق النعمان البحرية وقناديل البحر) وBilateria (جميع الحيوانات الأخرى).
تنسق هذه الكائنات البحرية سلوكها من خلال الخلايا الببتيدرجية، وهي نوع خاص من الخلايا تطلق الببتيدات الصغيرة لتوجيه حركة الحيوان أو تغذيته. بدافع الفضول حول أصول هذه الخلايا، استخدم مؤلفو الدراسة مجموعة من التقنيات الجزيئية والنماذج الحسابية لفهم كيفية تطور أنواع الخلايا الحيوانية الولودة وتجميع الشكل الذي كان يبدو عليه أسلافنا القدماء وعملهم.
إعادة بناء أنواع الخلايا القديمة
قام الباحثون أولاً بإنشاء خريطة لجميع أنواع الخلايا الحيوانية الولودة المختلفة، مع ملاحظة خصائصها في أربعة أنواع مختلفة. كل نوع من الخلايا له أدوار محددة تنشأ من مجموعة محددة من الجينات. تسمح هذه الخرائط، أو "أطالس الخلايا"، للباحثين برسم مجموعات أو "وحدات" من هذه الجينات. ثم قاموا برسم خريطة للمناطق التنظيمية للحمض النووي التي تتحكم في وحدات الجينات هذه، موضحين بوضوح ما تفعله كل خلية وكيف تعمل معًا. وأخيرًا، أجروا مقارنات بين الأنواع لإعادة بناء تطور أنواع الخلايا.
تظهر الأبحاث أن أنواع الخلايا التسعة الرئيسية للحيوانات الولودة يبدو أنها مرتبطة بالعديد من أنواع الخلايا "المتوسطة" التي تنتقل من نوع إلى آخر. تنمو هذه الخلايا وتنقسم باستمرار، مما يحافظ على توازن دقيق بين أنواع الخلايا التي يحتاجها الحيوان للتحرك وتناول الطعام. واكتشف الباحثون أيضًا 14 نوعًا مختلفًا من الخلايا الببتيدرجية، لكن هذه الخلايا كانت مختلفة عن جميع الخلايا الأخرى ولم تظهر أي أنواع وسيطة أو أي علامات نمو أو انقسام.
من المثير للدهشة أن الخلايا الببتيدرجية لديها العديد من أوجه التشابه مع الخلايا العصبية، وهو نوع من الخلايا لم يظهر إلا بعد ملايين السنين في الحيوانات الأكثر تقدمًا مثل ثنائيات الديكايت. أظهر التحليل عبر الأنواع أن أوجه التشابه هذه كانت فريدة من نوعها بالنسبة للحيوانات الولودة ولم يتم رؤيتها في الفروع الحيوية المبكرة الأخرى مثل الإسفنج أو المشطيات.
نقطة انطلاق للتطور
تظهر أوجه التشابه بين الخلايا الببتيدرجية والخلايا العصبية في ثلاثة جوانب. أولاً، وجد الباحثون أن هذه الخلايا الحيوانية الولودة تمايزت عن مجموعة الخلايا الظهارية الأصلية من خلال إشارات تطورية مشابهة لعملية تكوين الخلايا العصبية، وتكوين خلايا عصبية جديدة، في الديدان وثنائيات الأرجل.
ثانيًا، وجدوا أن الخلايا الببتيدرجية تمتلك العديد من الوحدات الجينية الضرورية لبناء جزء العصبون الذي يرسل الرسائل (السقالات قبل المشبكي). ومع ذلك، فإن هذه الخلايا بعيدة كل البعد عن الخلايا العصبية الحقيقية لأنها تفتقر إلى المكونات الموجودة في نهاية الخلية العصبية التي تتلقى المعلومات (ما بعد التشابك العصبي) أو المكونات اللازمة لتوصيل الإشارات الكهربائية.
أخيرًا، استخدم الباحثون تقنيات التعلم العميق لإظهار أن التواصل بين أنواع الخلايا الحيوانية الولودة يحدث من خلال نظام داخل الخلايا، حيث تكتشف بروتينات معينة تسمى GPCRs (مستقبلات البروتين G المقترنة) إشارات خارجية وتبدأ سلسلة من التفاعلات داخل الخلية. تتوسط هذه الإشارات الخارجية الببتيدات العصبية، وهي رسل كيميائية تستخدمها الخلايا العصبية في العديد من العمليات الفسيولوجية المختلفة.
قال سيباستيان ر. ناجل، دكتوراه، المؤلف الأول المشارك للدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في مركز تنظيم الجينوم: "لقد أذهلتنا أوجه التشابه". "إن الخلايا الببتيدرية للحيوانات الولودة لديها العديد من أوجه التشابه مع الخلايا العصبية البدائية، على الرغم من أنها لم تصل إلى هذا الحد بعد. إنه مثل النظر إلى نقطة انطلاق تطورية."
فجر الخلايا العصبية
وتظهر الدراسة أن اللبنات الأساسية للخلايا العصبية كانت تتشكل قبل 800 مليون سنة في أسلاف الحيوانات التي كانت ترعى في البحار الضحلة على الأرض القديمة. من منظور تطوري، ربما كانت الخلايا العصبية المبكرة تشبه في البداية الخلايا الإفرازية الببتيدية الموجودة في الحيوانات الولودة الحالية.
استخدمت الخلايا الببتيدات العصبية للتواصل، لكنها اكتسبت في نهاية المطاف وحدات جينية جديدة سمحت للخلايا بإنشاء سقالات ما بعد المشبكي، وتشكيل محاور عصبية وتشعبات، وإنشاء قنوات أيونية تولد إشارات كهربائية سريعة - وهي ابتكارات كانت حاسمة في ظهور الخلايا العصبية بعد حوالي 100 مليون سنة من ظهور أسلاف الحيوانات الولودة على الأرض لأول مرة.
ومع ذلك، فإن القصة التطورية الكاملة للجهاز العصبي لم يتم تحديدها بعد. يُعتقد أن الخلايا العصبية الحديثة الأولى قد نشأت من السلف المشترك للكائنات المجوفة والبرمائيات منذ حوالي 650 مليون سنة. ومع ذلك، توجد أيضًا خلايا شبيهة بالخلايا العصبية في المشطيات، على الرغم من أنها مختلفة جدًا من الناحية الهيكلية وتفتقر إلى التعبير عن معظم الجينات الموجودة في الخلايا العصبية الحديثة. بعض هذه الجينات العصبية موجودة في الخلايا الحيوانية الولودة، ولكن ليس في المشطيات، مما يثير تساؤلات جديدة حول المسار التطوري للخلايا العصبية.
"تفتقر الحيوانات الولودة إلى الخلايا العصبية، لكننا اكتشفنا الآن أنها تحمل تشابهات جزيئية مذهلة مع خلايانا العصبية. تمتلك Ctenophores شبكات عصبية لها اختلافات رئيسية، بالإضافة إلى أوجه تشابه، مع شبكاتنا. هل تتطور الخلايا العصبية مرة واحدة ثم تتمايز، أم أنها تتقدم بالتوازي أكثر من مرة؟" هل هي فسيفساء، ولكل قطعة أصل مختلف؟ قال الدكتور Xavier Grau-Bové، المؤلف الأول المشارك للدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في مركز تنظيم الجينوم: "هذه أسئلة مفتوحة تحتاج إلى إجابة".
ويعتقد مؤلفو الدراسة أنه مع استمرار الباحثين في جميع أنحاء العالم في تسلسل الجينومات عالية الجودة للأنواع المختلفة، فإن أصول الخلايا العصبية وتطور أنواع الخلايا الأخرى سوف تصبح واضحة بشكل متزايد.
"الخلايا هي الوحدة الأساسية للحياة، لذا فإن فهم كيفية نشوء الخلايا أو تغيرها بمرور الوقت هو المفتاح لشرح قصة تطور الحياة. الحيوانات الحية، والمشطيات، والإسفنج وغيرها من الحيوانات النموذجية غير التقليدية تحمل أسرارًا بدأنا للتو في الكشف عنها"، كما يخلص أرناو سيبي بيدروس، المؤلف المقابل للدراسة، وقائد المجموعة المبتدئة في مركز تنظيم الجينوم وأستاذ أبحاث ICREA.