Khoảng 800 triệu năm trước, các khối tế bào não của chúng ta bắt đầu hình thành ở các đại dương nông. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Cell cung cấp những hiểu biết mới về sự tiến hóa của tế bào thần kinh, tập trung vào động vật sinh sản, một loài động vật biển có kích thước milimet. Các nhà khoa học tại Trung tâm Quy định bộ gen ở Barcelona đã phát hiện ra rằng các tế bào tiết chuyên biệt ở những động vật cổ xưa và độc đáo này có thể đã tạo ra tế bào thần kinh của những động vật phức tạp hơn.
Động vật sinh sản là động vật nhỏ bé, có kích thước bằng một hạt cát lớn, kiếm ăn ở những vùng biển nông, ấm áp bằng tảo và vi sinh vật sống trên bề mặt đá và các chất nền khác. Những sinh vật có hình quả bóng và chiếc bánh kếp rất đơn giản và không có bất kỳ bộ phận hoặc cơ quan nào trên cơ thể.
Những loài động vật này được cho là xuất hiện lần đầu tiên trên Trái đất khoảng 800 triệu năm trước và là một trong năm ngành động vật chính, cùng với Ctenophora, Porifera, Cnidaria (san hô, hải quỳ và sứa) và Bilateria (tất cả các loài động vật khác).
Những sinh vật biển này phối hợp hành vi của chúng thông qua các tế bào peptidergic, một loại tế bào đặc biệt giải phóng các peptide nhỏ để điều khiển chuyển động hoặc kiếm ăn của động vật. Bị thúc đẩy bởi sự tò mò về nguồn gốc của những tế bào này, các tác giả của nghiên cứu đã sử dụng một loạt các kỹ thuật phân tử và mô hình tính toán để hiểu cách các loại tế bào động vật sinh sản phát triển và ghép lại với nhau những gì tổ tiên xa xưa của chúng ta trông và hoạt động như thế nào.
Tái tạo các loại tế bào cổ xưa
Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên tạo ra một bản đồ về tất cả các loại tế bào động vật sinh sản khác nhau, ghi nhận đặc điểm của chúng ở bốn loài khác nhau. Mỗi loại tế bào có những vai trò cụ thể phát sinh từ một bộ gen cụ thể. Những bản đồ này, hay còn gọi là “tập bản đồ tế bào”, cho phép các nhà nghiên cứu vạch ra các cụm hoặc “mô-đun” của các gen này. Sau đó, họ lập bản đồ các vùng điều hòa của DNA kiểm soát các mô-đun gen này, cho thấy rõ chức năng của từng tế bào và cách chúng hoạt động cùng nhau. Cuối cùng, họ thực hiện so sánh giữa các loài để tái tạo lại quá trình tiến hóa của các loại tế bào.
Nghiên cứu cho thấy chín loại tế bào chính của động vật sinh sản dường như được kết nối bởi nhiều loại tế bào "trung gian" thay đổi từ loại này sang loại khác. Những tế bào này liên tục phát triển và phân chia, duy trì sự cân bằng tinh tế của các loại tế bào mà động vật cần để di chuyển và ăn. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra 14 loại tế bào peptidergic khác nhau, nhưng những tế bào này khác với tất cả các tế bào khác và không biểu hiện bất kỳ loại trung gian nào hoặc bất kỳ dấu hiệu phát triển hoặc phân chia nào.
Đáng ngạc nhiên là các tế bào peptidergic có nhiều điểm tương đồng với tế bào thần kinh—một loại tế bào không xuất hiện cho đến hàng triệu năm sau ở các động vật tiên tiến hơn như dichaetes. Phân tích giữa các loài cho thấy những điểm tương đồng này là duy nhất ở động vật sinh sản và không được thấy ở các nhánh đầu tiên khác như bọt biển hoặc ctenophores.
Bước đệm cho sự tiến hóa
Sự tương đồng giữa tế bào peptidergic và tế bào thần kinh thể hiện rõ ở ba khía cạnh. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các tế bào động vật sinh sản này phân biệt với quần thể tế bào biểu mô bản địa thông qua các tín hiệu phát triển tương tự như quá trình hình thành thần kinh, hình thành các tế bào thần kinh mới, ở giun và động vật lưỡng bội.
Thứ hai, họ phát hiện ra rằng các tế bào peptidergic sở hữu nhiều mô-đun di truyền cần thiết để xây dựng phần tế bào thần kinh gửi thông điệp (khung tiền synap). Tuy nhiên, những tế bào này khác xa với các tế bào thần kinh thực sự vì chúng thiếu các thành phần ở đầu nhận thông tin của tế bào thần kinh (sau khớp thần kinh) hoặc các thành phần cần thiết để truyền tín hiệu điện.
Cuối cùng, các tác giả đã sử dụng kỹ thuật học sâu để chỉ ra rằng sự giao tiếp giữa các loại tế bào động vật sinh sản xảy ra thông qua một hệ thống nội bào trong đó các protein cụ thể gọi là GPCR (thụ thể kết hợp với G-protein) phát hiện các tín hiệu bên ngoài và bắt đầu một loạt phản ứng bên trong tế bào. Những tín hiệu bên ngoài này được trung gian bởi các peptide thần kinh, chất truyền tin hóa học được tế bào thần kinh sử dụng trong nhiều quá trình sinh lý khác nhau.
Sebastián R. Najle, Tiến sĩ, đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trung tâm Điều hòa gen, cho biết: "Chúng tôi rất ngạc nhiên bởi những điểm tương đồng. Các tế bào peptidergic của động vật sinh sản có nhiều điểm tương đồng với các tế bào thần kinh nguyên thủy, mặc dù chúng chưa đạt đến điểm đó. Nó giống như nhìn vào một bước đệm tiến hóa. "
Sự bình minh của các tế bào thần kinh
Nghiên cứu này cho thấy các khối cơ bản của tế bào thần kinh đã hình thành ở các động vật tổ tiên chăn thả ở vùng biển nông của Trái đất cổ đại cách đây 800 triệu năm. Từ góc độ tiến hóa, các tế bào thần kinh thời kỳ đầu có thể ban đầu giống với các tế bào tiết peptidergic của các động vật sinh sản ngày nay.
Các tế bào sử dụng peptide thần kinh để giao tiếp, nhưng cuối cùng thu được các mô-đun di truyền mới cho phép tế bào tạo ra các giàn sau khớp thần kinh, hình thành sợi trục và đuôi gai, đồng thời tạo ra các kênh ion tạo ra tín hiệu điện nhanh -- những cải tiến quan trọng đối với sự xuất hiện của tế bào thần kinh khoảng 100 triệu năm sau khi tổ tiên động vật sinh sản lần đầu tiên xuất hiện trên Trái đất.
Tuy nhiên, câu chuyện tiến hóa đầy đủ của hệ thần kinh vẫn chưa được xác định. Các tế bào thần kinh hiện đại đầu tiên được cho là có nguồn gốc từ tổ tiên chung của động vật cnidarians và động vật lưỡng cư khoảng 650 triệu năm trước. Tuy nhiên, các tế bào giống tế bào thần kinh cũng tồn tại trong các tế bào ctenophores, mặc dù chúng có cấu trúc rất khác nhau và thiếu sự biểu hiện của hầu hết các gen được tìm thấy trong các tế bào thần kinh hiện đại. Một số gen thần kinh này hiện diện trong tế bào động vật sinh sản nhưng không có trong tế bào ctenophoran, đặt ra những câu hỏi mới về quỹ đạo tiến hóa của tế bào thần kinh.
"Động vật sinh sản thiếu tế bào thần kinh, nhưng chúng tôi hiện đã phát hiện ra rằng chúng có những điểm tương đồng phân tử đáng kinh ngạc với các tế bào thần kinh của chúng ta. Ctenophores có mạng lưới thần kinh có những điểm khác biệt chính nhưng cũng có những điểm tương đồng với mạng lưới của chúng ta. Tế bào thần kinh tiến hóa một lần rồi phân biệt, Hay chúng tiến hóa song song nhiều lần? Chúng có phải là một bức tranh khảm, với mỗi phần có nguồn gốc khác nhau không? Đây là những câu hỏi mở cần được trả lời", Tiến sĩ Xavier nói Grau-Bové, đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trung tâm Quy định bộ gen.
Các tác giả của nghiên cứu tin rằng khi các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới tiếp tục giải trình tự bộ gen chất lượng cao của các loài khác nhau, nguồn gốc của tế bào thần kinh và sự tiến hóa của các loại tế bào khác sẽ ngày càng trở nên rõ ràng.
"Tế bào là đơn vị cơ bản của sự sống, vì vậy hiểu được cách tế bào được tạo ra hoặc thay đổi theo thời gian là chìa khóa để giải thích câu chuyện về quá trình tiến hóa của sự sống. Động vật sinh sản, tế bào bạch huyết, bọt biển và các động vật mô hình phi truyền thống khác nắm giữ những bí mật mà chúng ta mới bắt đầu khám phá", Arnau Sebé-Pedros, tác giả tương ứng của nghiên cứu, trưởng nhóm cấp dưới tại Trung tâm Quy định Bộ gen và ICREA, kết luận Giáo sư nghiên cứu.