From promiscuity to specialization: The origin of cholinergic and monoaminergic signaling is pre-bilaterian

Seit über einem Jahrhundert verstehen Biologen, dass Tiere durch eine komplexe chemische Sprache kommunizieren. Nervenzellen setzen winzige Moleküle namens Neurotransmitter frei, um anderen Zellen mitzuteilen, was sie tun sollen – sei es, einen Muskel zusammenzuziehen, ein Signal an das Gehirn zu senden oder das Verhalten zu ändern. Zu den wichtigsten dieser Botenstoffe gehört eine Gruppe, die als biogene Amine bekannt ist, wozu vertraute Substanzen wie Dopamin und Serotonin sowie Acetylcholin gehören. Jahrzehntelang war die vorherrschende Ansicht, dass dieses hochentwickelte chemische System eine relativ junge Erfindung war, die erst auftauchte, als komplexe, bilaterale Tiere – Kreaturen mit einer linken und einer rechten Seite, wie Menschen, Insekten und Würmer – entstanden. Man ging davon aus, dass einfachere Tiere wie Schwämme und Quallen nicht über die spezifische molekulare Maschinerie verfügten, die zur Produktion, zum Transport und zum Empfang dieser Signale erforderlich ist, und stattdessen auf primitiveren Formen der Kommunikation angewiesen waren.

Eine neue Studie stellt diesen lang gehegten Zeitplan infrage und legt nahe, dass die Wurzeln unseres eigenen Nervensystems viel tiefer in der Geschichte des Lebens liegen. Durch die Untersuchung der einfachsten Tiere der Erde fanden die Forscher heraus, dass die chemischen Werkzeuge für dieses Signalsystem schon lange vor dem ersten bilateralen Tier existierten. Sie entdeckten, dass diese urtümlichen Kreaturen über dieselben grundlegenden Zutaten verfügen, um diese Neurotransmitter herzustellen und zu nutzen, aber sie nutzen sie auf eine viel allgemeinere, flexiblere Weise. Das komplexe, spezialisierte System, wie man es bei Menschen und anderen fortgeschrittenen Tieren sieht, scheint eine spätere Verfeinerung eines uralten, vielseitigen Werkzeugkastens zu sein, der bereits im gemeinsamen Vorfahren aller Tiere vorhanden war.

Die Forscher gingen vor, um zu testen, ob diese chemischen Signale in frühen Tieren tatsächlich fehlten oder ob sie lediglich übersehen worden waren. Sie sammelten Proben von vier verschiedenen Arten, die unterschiedliche Zweige des Stammbaums der Tiere repräsentieren: einem Süßwasserschwamm, einem kleinen Süßwasserpolypen namens Hydra, einer Seeanemone und einem Meereswurm. Mithdem sie eine hochsensible chemische Analyse durchführten, suchten sie nach dem Vorhandensein verschiedener biogener Amine. Die Ergebnisse waren eindeutig: Der Schwamm, der Polyp und die Seeanemone enthielten messbare Mengen an Acetylcholin, Dopamin, Histamin, Adrenalin und mehreren anderen verwandten Verbindungen. Sogar der Schwamm enthielt Adrenalin, eine Substanz, die oft mit der „Kampf-oder-Flucht“-Reaktion bei Vertebraten in Verbindung gebracht wird. Dieser Befund allein bewies, dass diese Moleküle nicht exklusiv für komplexe Tiere sind; sie waren in Kreaturen vorhanden, denen es an einem zentralisierten Gehirn oder einem Nervensystem, wie wir es kennen, fehlt.

Der nächste Schritt bestand darin, zu verstehen, wie diese Tiere diese Chemikalien herstellen. Bei komplexen Tieren wird die Produktion spezifischer Neurotransmitter von hochspezialisierten Enzymen gehandhabt, von denen jedes darauf ausgelegt ist, nur ein spezifisches Molekül zu erzeugen. Die Forscher fanden heraus, dass die urtümlichen Tiere nicht diese spezialisierten Enzyme besaßen. Stattdessen verfügten sie über ältere, flexiblere Versionen. Diese ancestralen Enzyme waren „promiskuitiv“, was bedeutet, dass ein einzelnes Enzym eine Vielzahl verschiedener chemischer Botenstoffe aus densamen Ausgangsstoffen produzieren konnte. Beispielsweise ist das Enzym, das beim Menschen für die Herstellung von Acetylcholin verantwortlich ist, ein engagierter Spezialist. Beim Schwamm und beim Polypen ist das entsprechende Enzym ein Generalist, der primär eine andere metabolische Aufgabe bewältigt, aber auch Acetylcholin als Nebenprodukt erzeugen kann. Dies deutet darauf an, dass die Fähigkeit, diese Signale zu erzeugen, keine dedizierte Erfindung erforderte; sie entstand natürlich aus den Stoffwechselprozessen, die bereits in frühen Zellen aktiv waren.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Chemikalien bewegt und empfangen werden. In komplexen Tieren laden spezifische Transporter die Neurotransmitter in winzige Speicherbläschen, und spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche fangen sie auf. Die Forscher fanden heraus, dass die urtümlichen Tiere über die breit gefächerten Versionen dieser Transporter und Rezeptoren verfügten. Sie besaßen Transporter, die viele verschiedene Arten von Molekülen bewegen konnten, und Rezeptoren, die an mehrere verschiedene Signale binden konnten. Sie fanden jedoch auch ein entscheidendes Indiz für ein spezialisiertes System beim Polypen und der Seeanemone. Diese Tiere besitzen Rezeptoren, die spezifisch an Acetylcholin binden, und sie haben muskelähnliche Zellen, die auf dieses Signal reagieren. Beim Polypen finden sich diese Rezeptoren auf Nervenzellen, aber sie finden sich auch auf den Zellen, die die Körperwand bilden, was darauf hindeutet, dass Acetylcholin in diesen einfachen Tieren zur Koordination von Bewegungen verwendet wird, genau wie in unseren eigenen Muskeln.

Diese Entdeckung prägt unser Verständnis darüber, wie sich Nervensysteme entwickelt haben. Sie legt nahe, dass die chemische Sprache des Nervensystems nicht plötzlich mit dem ersten komplexen Tier auftauchte. Stattdessen waren die Bausteine bereits vorhanden, verstreut über die Zellen der frühesten Tiere. Diese Zellen nutzten diese Chemikalien für die allgemeine Kommunikation und metabolische Zwecke. Über Millionen von Jahren, als Tiere komplexer wurden, wurden die Gene für diese Enzyme und Rezeptoren kopiert und modifiziert. Dieser Prozess der Duplikation ermöglichte es dem System, spezialisierter zu werden, mit dedizierten Enzymen, die spezifische Signale erzeugen, und dedizierten Rezeptoren, die diese mit hoher Präzision lesen. Das komplexe, Hochgeschwindigkeit-Kommunikationssystem des menschlichen Gehirns ist daher keine völlig neue Erfindung, sondern eine hochgradig verfeinerte Version eines uralten, universellen Systems, das seit dem Anbruch des tierischen Lebens in Gebrauch ist.

Die Forscher bestätigten diese Ergebnisse durch die Untersuchung der genetischen Baupläne dieser Tiere. Sie verfolgten die Evolutionsgeschichte der Gene, die für die Herstellung und den Transport dieser Chemikalien verantwortlich sind, und zeigten, dass die spezialisierten Versionen, die beim Menschen vorkommen, direkte Nachfahren der breiten, flexiblen Versionen sind, die bei Schwämmen und Quallen zu finden sind. Sie nutzten auch Computermodelle, um vorherzusagen, wie die Rezeptoren des Polypen reagieren würden, wobei sie bestätigten, dass sie strukturell ebenso stark in der Lage sind, Acetylcholin zu binden, wie es menschliche Rezeptoren tun. Diese Konvergenz von chemischer Detektion, genetischer Analyse und struktureller Modellierung liefert ein robustes Bild der Vergangenheit. Sie zeigt, dass der Übergang von einem einfachen, allgemeinen chemischen Signal zu einem komplexen, spezialisierten Nervensystem ein gradueller Prozess der Spezialisierung war und kein plötzlicher Sprung.

Die Implikationen dieser Arbeit reichen weit über das Verständnis der Vergangenheit hinaus. Sie legt nahe, dass die grundlegenden Mechanismen der zellulären Kommunikation im gesamten Tierreich tief konserviert sind. Die Fähigkeit, kleine Moleküle zu nutzen, um das Zellverhalten zu beeinflussen, ist eine Eigenschaft, die bis zu den allerersten vielzelligen Tieren zurückreicht. Die spezialisierten Systeme, die wir beim Menschen sehen, bauen auf diesem uralten Fundament auf. Indem wir die einfachsten Tiere untersuchen, können wir die Rohmaterialien sehen, aus denen unsere eigene komplexe Biologie konstruiert wurde. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die chemischen Signalsysteme, auf die wir uns für Denken, Bewegung und Wahrnehmung verlassen, nicht einzigartig für uns sind, sondern ein erbtes Merkmal eines gemeinsamen Vorfahren sind, der vor Hunderten von Millionen Jahren lebte, lange bevor das erste bilaterale Tier existierte.