Co nám vodní houby mohou říci o vývoji mozku

Když čtete tyto řádky, pracuje vysoce sofistikovaný biologický stroj – váš mozek. Lidský mozek se skládá z přibližně 86 miliard neuronů a řídí nejen tělesné funkce od vidění po pohyb, ale také poskytuje vědomí a porozumění. Přes jeho ústřední význam nebyl původ mozku dosud plně odhalen. První zvířecí mozky se objevily před stovkami milionů let. Mozek dnes chybí jen těm nejprimitivnějším živočišným druhům, jako jsou vodní houby. Paradoxně právě tyto druhy mohou být klíčem k odhalení záhady, jak se neurony a mozek poprvé vyvinuly.

Jednotlivé neurony v mozku komunikují prostřednictvím synapsí. Tato spojení mezi buňkami leží v srdci mozkových funkcí a jsou regulována řadou různých genů. Houby tyto synapse nemají, ale jejich genom stále mnoho synaptických genů kóduje. Vědce z EMBL zajímalo, proč tomu tak může být. Jejich nejnovější poznatky jsou zveřejněny v časopise Science.

„Víme, že se synaptické geny podílejí na neuronální funkci u vyšších zvířat. Nalezení u primitivních druhů, jako jsou houby, vyvolává otázku: Pokud tyto organismy nemají mozek, jaká je role těchto genů?“ ptá se Detlev Arendt, vedoucí skupiny EMBL a hlavní vědecký pracovník společnosti EMBL Heidelberg. „Ač to zní jednoduše, odpověď byla nad naše technologické schopnosti.“

Houbové geny odhalují

Ke studiu role synaptických genů v houbách použila laboratoř Arendt mikrofluidními a genomickými technologiemi sladkovodní houbu Spongilla lacustris. Pomocí těchto technik vědci zachytili jednotlivé buňky z několika hub uvnitř mikrofluidních kapiček a poté profilovali genetickou aktivitu každé buňky. „Ukázali jsme, že určité buňky v trávicích komorách houby aktivují synaptické geny. Takže i u primitivního živočicha postrádajícího synapse jsou synaptické geny aktivní ve specifických částech jeho těla,“ řekl Jacob Musser, vědecký pracovník skupiny Arendt a hlavní autor studie.

Houby používají své trávicí komory k filtrování potravy z vody a k interakci s mikroby v životním prostředí. Aby pochopili, co dělají buňky exprimující (*) synaptické geny, spojili se vědci ze skupiny Arendt se šesti týmy EMBL a také se spolupracovníky po celém světě. Ve spolupráci se zařízením Electron Microscopy Core Facility společnosti EMBL, týmem Yannicka Schwaba a skupinou Thomase Schneidera provozujícími synchrotronové paprsky v EMBL Hamburg vyvinuli výzkumníci nový přístup ke korelativnímu zobrazování. „Kombinací elektronové mikroskopie s rentgenovým zobrazováním na synchrotronovém svazku jsme byli schopni vizualizovat ohromující chování těchto buněk,“ vysvětlil Dr. Schwab.

Souvislost trávicí soustavy a mozku

Vědci zachytili trojrozměrné snímky buněk plazících se po celé trávicí komoře, aby odstranily bakteriální vetřelce a vyslaly dlouhé výběžky, které obalují krmný aparát konkrétních trávicích buněk. Toto chování vytváří rozhraní pro cílenou komunikaci buňka-buňka, jak se to také děje přes synapse mezi neuronovými buňkami v našem mozku. „Naše výsledky ukazují na buňky regulující krmení a kontrolující mikrobiální prostředí jako na možné evoluční prekurzory pro první zvířecí mozky,“ řekl Dr. Musser. „To je opravdu k zamyšlení!”

* Pozn. red.: Buňky exprimující geny jsou buňky, které aktivně produkují a projevují genetickou informaci uloženou v jejich DNA. Zde je podrobnější vysvětlení: Geny jsou úseky DNA obsahující kód pro syntézu specifických bílkovin. Každý gen kóduje určitou funkci nebo vlastnost a tím ovlivňuje, jak buňka pracuje. Exprese genu je proces, při kterém je informace uložená v genu převedena na reálně existující buněčnou strukturu nebo funkci. Když je gen exprimován, znamená to, že je aktivní a produkuje RNA (mRNA), která následně slouží jako předloha pro syntézu bílkovin. 

Zdroje: Profiling cellular diversity in sponges informs animal cell type and nervous system evolution.

Musser J.M., et al. 10.1126/science.abj2949

https://www.embl.org/news/science/more-than-a-gut-reaction/

Kredit všech obrázků EMBL.