Tajniki ewolucji układu nerwowego
Układ nerwowy stanowi jedną z najważniejszych i najbardziej złożonych struktur organizmów żywych - odpowiada za przekazywanie sygnałów między różnymi częściami ciała. Steruje także podstawowymi czynnościami, w tym ruchem, czuciem i funkcjami poznawczymi, dzięki czemu odgrywa kluczową rolę z punktu widzenia przetrwania jednostki. Pomimo swojego znaczenia, ewolucyjne źródło układu nerwowego pozostaje jedną z najistotniejszych nierozwikłanych tajemnic biologii. Zrozumienie procesu, który doprowadził do pojawienia się tego złożonego układu u różnych gatunków, może stanowić istotne źródło wiedzy na temat działania ludzkiego mózgu, jak i ewolucji życia na Ziemi.
Badanie sieci regulacyjnych genów różnych gatunków
Projekt RipGEESE, realizowany dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, na którego czele stanął Carlos Rivera, miał na celu rozwikłanie tajemnic ewolucji układu nerwowego. Choć tradycyjne badania ewolucyjne często bazują na porównywaniu sekwencji genetycznych w celu ustalenia relacji między nimi, zespół projektu RipGEESE postanowił zbadać, jak sieci regulacyjne genów zmieniały się w czasie. „Badając sieci genów, chcieliśmy rzucić światło na to, w jaki sposób rozwinęła się złożoność układów nerwowych u różnych gatunków zwierząt”, wyjaśnia badacz. Doświadczenia koncentrowały się na trzech doskonale przebadanych rodzajach komórek neuronalnych kręgowców - neuronach serotoninergicznych i adrenergicznych, a także komórkach glejowych. Komórki te zostały wybrane ze względu na ich różne role w procesie regulacji neuroprzekaźników i wspieraniu funkcji neuronów.
Konkretne geny układu nerwowego na przestrzeni ewolucji
Dane z sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek ośmiu gatunków zwierząt pozwoliły na wskazanie 39 rodzin genów, których ekspresja towarzyszy układom nerwowym wszystkich zwierząt. Zespół bardzo szybko odkrył, że wiele rodzin genów kluczowych dla układu nerwowego występowało także u wiciowców kołnierzykowych, jednokomórkowych protoplastów zwierząt. Odkrycie to może prowadzić do hipotezy, według której większość podstawowych elementów składowych genomu potrzebnych do wykształcenia układu nerwowego istniała na długo przed pojawieniem się tego dostosowania w naturze. Co więcej, odkrycie pojedynczej rodziny genów bezpośrednio powiązanej z obecnością układów nerwowych jest niezwykle istotnym przełomem, który może nieść za sobą daleko idące skutki dotyczące zrozumienia zarówno biologii ewolucyjnej, jak i rozwoju chorób neurologicznych.
Symulowanie ewolucji
Ze względu na niejasność procesu ewolucji sekwencji genów o wspólnej funkcji, zespół projektu RipGEESE opracował model predykcyjny, który symuluje ewolucję genów, które wchodzą ze sobą w interakcje. To innowacyjne narzędzie umożliwia modelowanie ewolucji sieci genów poprzez analizę zmian sekwencji genów w czasie. Symulator CastNet pozwolił zespołowi modelować wpływ selektywnych presji na organizmy żywe, w szczególności na ich fenotypy, na występowanie koewolucyjnych wzorców w sekwencjach genów i oddziaływaniach regulacyjnych. „Narzędzie to otwiera nowe możliwości badania zmian sieci genów i pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób oddziaływania regulacyjne wpływają na rozwój złożonych systemów biologicznych, takich jak układ nerwowy”, podkreśla Rivera. W przyszłości zespół RipGEESE zamierza kontynuować badania nad ewolucją sieci regulacyjnych genów obejmujące większą liczbę gatunków. Planowane jest dalsze udoskonalenie modeli predykcyjnych i rozszerzenie badań na inne rodzaje oddziaływań regulacyjnych. Prace w ramach projektu RipGEESE wniosły istotny wkład w zrozumienie ewolucji układu nerwowego, w szczególności na roli sieci regulacyjnych genów w tym procesie. Badacze położyli także podwaliny pod opracowanie nowego rozdziału biologii ewolucyjnej, skupiającego się na regulacji genów jako najistotniejszym czynniku wyjaśniającym różnorodność i złożoność życia.
Słowa kluczowe
RipGEESE, układ nerwowy, ewolucja, rozwój, gen, sieć regulacyjna
