Scoperta di componenti del sistema nervoso in antichi organismi unicellulari

Un nuovo studio rivela che alcuni canali ionici esistevano prima del più antico antenato comune degli animali.

Uno studio recente ha riscritto la storia evolutiva tradizionalmente intesa delle proteine ​​di base necessarie per la segnalazione elettrica nel sistema nervoso. Lo studio è stato condotto da ricercatori della Pennsylvania State University e ha rivelato che la ben nota famiglia di proteine ​​– i canali ionici del potassio della famiglia Shaker – esisteva in microscopici organismi unicellulari molto prima dell’antenato comune di tutti gli animali.

Ciò suggerisce che invece di evolversi insieme al sistema nervoso come si pensava in precedenza, questi canali ionici esistevano prima della nascita del sistema nervoso.

Lo studio è apparso in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.

“Tendiamo a pensare all'evoluzione come a una marcia a senso unico verso una complessità sempre maggiore, ma questo spesso non accade nel mondo naturale”, ha affermato Timothy Gigala, assistente professore di biologia all'Eberly College of Science della Penn State e leader del il gruppo di ricerca. “Ad esempio, si pensava che man mano che le diverse specie di animali si evolvevano e la complessità del sistema nervoso aumentava, i canali ionici si formavano e si diversificavano per adattarsi a questa complessità. Ma la nostra ricerca suggerisce che non è così animali viventi più antichi, quelli con reti “I neuroni semplici hanno la più alta diversità di canali ionici. Questa nuova scoperta si aggiunge alla crescente evidenza che molti degli elementi costitutivi del sistema nervoso erano già presenti nei nostri antenati protozoi – prima che il sistema nervoso esistesse. “

Comprendere i canali ionici

I canali ionici si trovano nelle membrane cellulari e regolano il modo in cui le particelle cariche chiamate ioni entrano ed escono dalla cellula, un processo che porta a segnali elettrici che costituiscono la base della comunicazione nel sistema nervoso. La famiglia di canali ionici Shaker si trova in una vasta gamma di animali, dagli esseri umani ai topi e ai moscerini della frutta, e regola specificamente il modo in cui gli ioni di potassio fluiscono fuori dalla cellula per terminare i segnali elettrici chiamati potenziali d'azione. Questi canali possono aprirsi o chiudersi in base ai cambiamenti nel campo elettrico, proprio come i transistor nei chip dei computer.

“Gran parte di ciò che sappiamo su come funzionano i canali ionici a livello molecolare deriva da studi meccanicistici della famiglia di canali ionici Shaker”, ha detto Gigala. “In precedenza pensavamo che la famiglia Shaker dei canali del potassio voltaggio-dipendenti esistesse solo negli animali, ma ora vediamo che i geni che codificano per questa famiglia di canali ionici erano presenti in molti Classificare I parenti viventi più stretti degli animali sono un gruppo di organismi unicellulari chiamati roditori.

I ricercatori avevano precedentemente cercato questi geni in due specie di alghe marine, ma non erano riusciti a trovarli. Nel presente studio, hanno ampliato la loro ricerca per includere 21 specie di alghe marine e hanno trovato prove dell’esistenza dei geni della famiglia Shaker in tre di queste specie.

Evoluzione dei tipi di canali ionici

Esistono diverse sottofamiglie o tipi di canali ionici all'interno della famiglia Shaker in tutto il regno animale. Il gruppo di ricerca aveva precedentemente scoperto che le meduse a pettine – animali con “reti nervose” relativamente semplici che sono (e si pensa siano) simili al sistema nervoso dei primi animali – hanno solo un tipo di questo tipo, chiamato Kv1. Ciò ha portato il team a credere che l’antenato comune degli animali potrebbe aver avuto solo Kv1, con altre specie che si sono evolute successivamente. Tuttavia, Gigala e colleghi hanno scoperto che i geni della famiglia Shaker nei roditori erano più strettamente correlati ai tipi Kv2, Kv3 e Kv4.

“Pensavamo che i tipi da 2 a 4 si fossero evoluti su una linea temporale più recente, ma il nostro nuovo lavoro suggerisce che i condotti simili a Kv2-4 trovati nelle bande coane sono in realtà il sottotipo più vecchio”, ha detto Gigala.

Inoltre, questa scoperta suggerisce l’esistenza di molteplici sottospecie alla base dell’albero genealogico degli animali, tra cui Kv1, che si trova nelle meduse, e canali simili a Kv2-4, che si trovano nei parassiti succhiatori.

“I geni simili a Kv2-4 sono andati perduti nei discendenti dei gruppi più antichi di animali come meduse e spugne, quindi l’unica ragione per cui sappiamo della loro presenza negli animali più antichi è grazie ai coanoflagellati”, ha aggiunto Gigala è davvero comune nell’evoluzione – come l’evoluzione dei geni”. Nuovo – anche se può essere difficile da rilevare Ora che il sequenziamento genetico è abbastanza economico da consentire agli scienziati di campionare ampiamente dalle specie, invece di osservare alcune specie rappresentative, possiamo rilevarne di più. di queste perdite genetiche e di quelle “cambierebbe le nostre opinioni su quante delle nostre famiglie genetiche si sono evolute per prime”.

Questo lavoro si aggiunge anche alla crescente evidenza che molti elementi del sistema nervoso esistevano prima che il sistema nervoso nel suo insieme si evolvesse, ha osservato Gegal.

“La maggior parte delle proteine ​​funzionalmente importanti che utilizziamo per i segnali elettrici e che sono alla base della comunicazione neurale e del movimento neuromuscolare, sono tutte basate su proteine ​​che esistevano prima degli animali”, afferma Gigala. “Sembra che gli animali fossero in grado di assemblare un sistema nervoso funzionante molto presto nella loro evoluzione semplicemente perché “la maggior parte delle proteine ​​necessarie erano già presenti”.

“Capire come si sviluppano questi canali ionici ci aiuta a capire come funzionano, il che a sua volta può avere implicazioni per il trattamento dei disturbi associati alla disfunzione dei canali ionici, come l’aritmia e l’epilessia”, ha aggiunto Gigal.

Riferimento: “Un'indagine su larga scala dei coanoflagellati affina la storia evolutiva della famiglia Shaker del potassio voltaggio-dipendente⁺ “Canali negli animali” di Timothy Gigala e Benjamin T. Simonson e J. David Spafford, 17 luglio 2024, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.
DOI: 10.1073/pnas.2407461121

Oltre a Gigala, il gruppo di ricerca comprende Benjamin Simonson, uno studente laureato nel programma di bioscienze molecolari, cellulari e integrative presso gli Hooke Institutes for the Life Sciences e l'Eberly College of Science della Penn State che ha recentemente difeso la sua tesi, e David Spafford , professore associato di biologia alla Penn State. Università di Waterloo Chi è specializzato in fisiologia dei roditori. Questo lavoro è stato sostenuto dai finanziamenti del Dipartimento di Biologia della Pennsylvania State University e degli Hooke Life Sciences Institutes.