약 8억년 전, 뇌 세포의 구성 요소가 얕은 바다에서 형성되기 시작했습니다. Cell 저널에 발표된 연구는 밀리미터 크기의 해양 동물인 태생 동물에 초점을 맞춰 뉴런의 진화에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 바르셀로나 게놈 조절 센터의 과학자들은 이 고대의 독특한 동물의 특수 분비 세포가 더 복잡한 동물의 뉴런을 발생시켰을 수 있다는 사실을 발견했습니다.
태생 동물은 큰 모래 알갱이 크기의 작은 동물로 따뜻하고 얕은 바다에서 암석 표면과 기타 기질에 사는 조류와 미생물을 먹습니다. 공과 팬케이크 모양의 생물은 매우 단순하며 신체 부위나 기관이 없습니다.
이 동물들은 약 8억년 전에 지구에 처음 등장한 것으로 생각되며 Ctenophora, Porifera, Cnidaria(산호, 말미잘, 해파리) 및 Bilateria(다른 모든 동물)와 함께 5대 동물 문 중 하나입니다.
이 바다 생물은 동물의 움직임이나 먹이 섭취를 지시하기 위해 작은 펩타이드를 방출하는 특별한 유형의 세포인 펩타이드 세포를 통해 행동을 조정합니다. 이러한 세포의 기원에 대한 호기심에 이끌려 연구의 저자들은 다양한 분자 기술과 컴퓨터 모델을 사용하여 어떻게 생생한 동물 세포 유형이 진화했는지 이해하고 고대 조상의 모습과 기능을 함께 모았습니다.
고대 세포 유형 재구성
연구자들은 먼저 다양한 태생 동물 세포 유형의 지도를 작성하여 네 가지 다른 종의 특징을 지적했습니다. 각 세포 유형에는 특정 유전자 세트에서 발생하는 특정 역할이 있습니다. 이러한 지도 또는 "세포 지도책"을 통해 연구자들은 이러한 유전자의 클러스터 또는 "모듈"을 지도화할 수 있습니다. 그런 다음 그들은 이러한 유전자 모듈을 제어하는 DNA의 조절 영역을 매핑하여 각 세포가 수행하는 작업과 함께 작동하는 방식을 명확하게 보여주었습니다. 마지막으로 그들은 세포 유형의 진화를 재구성하기 위해 종간 비교를 수행했습니다.
연구에 따르면 태생 동물의 9가지 주요 세포 유형은 한 유형에서 다른 유형으로 전환되는 많은 "중간" 세포 유형에 의해 연결되어 있는 것으로 나타났습니다. 이 세포는 지속적으로 성장하고 분열하며 동물이 움직이고 먹는 데 필요한 세포 유형의 섬세한 균형을 유지합니다. 연구진은 또한 14가지 다른 유형의 펩타이드 세포를 발견했지만 이 세포는 다른 모든 세포와 달랐고 중간 유형이나 성장이나 분열의 징후를 보이지 않았습니다.
놀랍게도 펩타이드 세포는 뉴런과 많은 유사점을 가지고 있습니다. 이 세포 유형은 수백만 년이 지난 후 dichaetes와 같은 더 발전된 동물에서 나타나지 않았습니다. 종간 분석에 따르면 이러한 유사성은 태생 동물에 고유하며 해면동물이나 유인동물과 같은 다른 초기 분류군에서는 볼 수 없는 것으로 나타났습니다.
진화의 디딤돌
펩타이드 세포와 뉴런 사이의 유사점은 세 가지 측면에서 분명합니다. 첫째, 연구자들은 이러한 태생 동물 세포가 벌레와 쌍족류에서 새로운 뉴런의 형성인 신경 발생 과정과 유사한 발달 신호를 통해 자연 상피 세포 집단과 분화된다는 사실을 발견했습니다.
둘째, 그들은 펩타이드 세포가 메시지를 보내는 뉴런 부분(시냅스 전 비계)을 구축하는 데 필요한 많은 유전 모듈을 보유하고 있음을 발견했습니다. 그러나 이러한 세포는 뉴런의 정보 수신 끝 부분(시냅스 후)에 있는 구성 요소나 전기 신호를 전달하는 데 필요한 구성 요소가 부족하기 때문에 실제 뉴런과는 거리가 멀습니다.
마지막으로, 저자들은 딥러닝 기술을 사용하여 GPCR(G-단백질 결합 수용체)이라고 불리는 특정 단백질이 외부 신호를 감지하고 세포 내에서 일련의 반응을 시작하는 세포내 시스템을 통해 태생 동물 세포 유형 간의 통신이 발생한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 외부 신호는 다양한 생리학적 과정에서 뉴런이 사용하는 화학적 메신저인 신경펩티드에 의해 매개됩니다.
이번 연구의 공동 제1저자이자 게놈 조절 센터의 박사후 연구원인 Sebastián R. Najle 박사는 “우리는 유사성에 놀랐습니다.”라고 말했습니다. "태생 동물의 펩타이드 세포는 원시 신경 세포와 많은 유사점을 갖고 있지만 아직 완전히 일치하지는 않습니다. 이는 마치 진화의 디딤돌을 보는 것과 같습니다."
뉴런의 새벽
이번 연구는 뉴런의 구성 요소가 8억년 전 고대 지구의 얕은 바다에서 풀을 뜯던 조상 동물에서 형성되었다는 것을 보여줍니다. 진화론적 관점에서 볼 때, 초기 뉴런은 처음에는 오늘날의 태생 동물의 펩티드 분비 세포와 유사했을 수 있습니다.
세포는 신경펩티드를 사용하여 의사소통했지만 궁극적으로 세포가 시냅스후 비계를 만들고, 축색돌기와 수상돌기를 형성하고, 빠른 전기 신호를 생성하는 이온 채널을 만들 수 있게 해주는 새로운 유전 모듈을 획득했습니다. 이는 태생 동물 조상이 지구에 처음 나타난 지 약 1억 년 후에 뉴런이 출현하는 데 결정적인 혁신이었습니다.
그러나 신경계의 완전한 진화 이야기는 아직 밝혀지지 않았습니다. 최초의 현대 뉴런은 약 6억 5천만년 전 자포동물과 양서류의 공통 조상에서 유래한 것으로 생각됩니다. 그러나 뉴런과 유사한 세포는 구조적으로 매우 다르고 현대 뉴런에서 발견되는 대부분의 유전자 발현이 부족하기는 하지만 유인세포에도 존재합니다. 이러한 신경 유전자 중 일부는 태생 동물 세포에는 존재하지만 유충에는 존재하지 않아 뉴런의 진화 궤적에 대한 새로운 질문을 제기합니다.
"태생 동물에는 뉴런이 없지만 이제 우리는 그들이 우리의 신경 세포와 놀라운 분자적 유사성을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. Ctenophores에는 우리와 중요한 차이점과 유사점이 있는 신경망이 있습니다. 뉴런은 한 번 진화한 다음 분화합니까, 아니면 두 번 이상 병행하여 진행합니까?" 모자이크인가요? 각 조각의 출처가 다릅니다. 이것은 대답해야 할 공개 질문입니다."라고 이번 연구의 공동 제1저자이자 게놈 규제 센터의 박사후 연구원인 Xavier Grau-Bové 박사가 말했습니다.
이번 연구의 저자들은 전 세계 연구자들이 계속해서 다양한 종의 고품질 게놈 서열을 분석함에 따라 뉴런의 기원과 다른 세포 유형의 진화가 점점 더 명확해질 것이라고 믿습니다.
"세포는 생명의 기본 단위이므로 시간이 지남에 따라 세포가 어떻게 발생하고 변화하는지 이해하는 것이 생명의 진화 이야기를 설명하는 데 중요합니다. 태생 동물, 유인동물, 해면 및 기타 비전통적인 모델 동물에는 우리가 이제 막 밝혀내기 시작한 비밀이 담겨 있습니다."라고 이번 연구의 교신저자이자 ICREA 연구 교수이자 유전자 조절 센터의 주니어 그룹 리더인 Arnau Sebé-Pedros는 결론지었습니다.