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

Per oltre un secolo, i biologi hanno compreso che gli animali comunicano attraverso un complesso linguaggio chimico. Le cellule nervose rilasciano minuscole molecole chiamate neurotrasmettitori per dire ad altre cellule cosa fare, che si tratti di contrarre un muscolo, inviare un segnale al cervello o cambiare comportamento. Tra questi messaggeri, i più importanti sono un gruppo noto come ammine biogene, che includono sostanze familiari come la dopamina e la serotonina, così come l'acetilcolina. Per decenni, la visione prevalente era che questo sofisticato sistema chimico fosse un'invenzione relativamente recente, apparsa solo quando si sono evoluti gli animali bilaterali complessi — creature con un lato sinistro e uno destro, come gli esseri umani, gli insetti e i vermi. Il pensiero era che gli animali più semplici, come le spugne e le meduse, mancassero della specifica strumentazione molecolare necessaria per produrre, trasportare e ricevere questi segnali, affidandosi invece a forme di comunicazione più primitive.

Un nuovo studio sfida questa cronologia di lunga data, suggerendo che le radici del nostro stesso sistema nervoso affondino molto più in profondamente nella storia della vita. Esaminando gli animali più semplici della Terra, i ricercatori hanno scoperto che gli strumenti chimici per questo sistema di segnalazione esistevano molto prima che il primo animale bilaterale nuotasse. Hanno scoperto che queste creature antiche possiedono gli stessi ingredienti di base per produrre e utilizzare questi neurotrasmettitori, ma li utilizzano in modo molto più generale e flessibile. Il sistema complesso e specializzato visto negli esseri umani e in altri animali avanzati appare come una raffinazione successiva di un antico e versatile kit di strumenti che era già presente nell'antenato comune di tutti gli animali.

I ricercatori si sono posti l'obiettivo di testare se questi segnali chimici fossero realmente assenti negli animali primordiali o se fossero stati semplicemente trascurati. Hanno raccolto campioni da quattro specie distinte che rappresentano diversi rami dell'albero genealogico animale: una spugna d'acqua dolce, un piccolo polipo d'acqua dolce noto come Hydra, un anemone di mare e un verme marino. Utilizzando un'analisi chimica altamente sensibile, hanno cercato la presenza di varie ammine biogene. I risultati sono stati chiari: la spugna, il polipo e l'anemone contenevano quantità misurabili di acetilcolina, dopamina, istamina, adrenalina e diverse altre sostanze correlate. La spugna conteneva persino adrenalina, una sostanza spesso associata alla risposta di "attacco o fuga" nei vertebrati. Questa scoperta da sola ha dimostrato che queste molecole non erano esclusive degli animali complessi; erano presenti in creature che mancano di un cervello centralizzato o di un sistema nervoso come lo intendiamo noi.

Il passo successivo è stato capire come questi animali producessero tali sostanze chimiche. Negli animali complessi, la produzione di specifici neurotrasmettitori è gestita da enzimi altamente specializzati, ciascuno progettato per creare una sola molecola specifica. I ricercatori hanno scoperto che gli animali antichi non possedevano questi enzimi specializzati. Al contrario, possedevano versioni più vecchie e flessibili. Questi enzimi ancestrali erano "promiscui", il che significa che un singolo enzima poteva produrre una grande varietà di diversi messaggeri chimici a partire dagli stessi materiali di partenza. Ad esempio, l'enzima responsabile della produzione di acetilcolina negli esseri umani è uno specialista dedicato. Nella spugna e nel polipo, l'equivalente enzima è un generalista che si occupa principalmente di un diverso compito metabolico, ma può anche produrre acetilcolina come effetto collaterale. Ciò suggerisce che la capacità di produrre questi segnali non ha richiesto un'invenzione dedicata; è sorta naturalmente dai processi metabolici che erano già attivi nelle prime cellule.

Lo studio ha anche esaminato come queste sostanze chimiche venissero spostate e ricevute. Negli animali complessi, trasportatori specifici caricano i neurotrasmettitori in minuscole bolle di stoccaggio, e recettori specifici sulla superficie delle cellule li catturano. I ricercatori hanno scoperto che gli animali antichi possedevano le versioni a largo spettro di questi trasportatori e recettori. Avevano trasportatori capaci di muovere molti tipi diversi di molecole e recettori che potevano legarsi a diversi segnali. Tuttavia, hanno trovato un pezzo cruciale di evidenza per un sistema specializzato nel polipo e nell'anemone di mare. Questi animali hanno recettori che si legano specificamente all'acetilcolina e possiedono cellule simili a quelle muscolari che rispondono a questo segnale. Nel polipo, questi recettori si trovano sulle cellule nervose, ma si trovano anche sulle cellule che compongono la parete del corpo, suggerendo che l'acetilcolina sia utilizzata per coordinare il movimento in questi animali semplici proprio come avviene nei nostri muscoli.

Questa scoperta ridefinisce la nostra comprensione di come si siano evoluti i sistemi nervosi. Suggerisce che il linguaggio chimico del sistema nervoso non sia apparso improvvisamente con il primo animale complesso. Invece, i mattoni erano già lì, sparsi tra le cellule dei primi animali. Queste cellule utilizzavano queste sostanze chimiche per scopi di comunicazione generale e metabolica. Nel corso di milioni di anni, man mano che gli animali diventavano più complessi, i geni per questi enzimi e recettori sono stati copiati e modificati. Questo processo di duplicazione ha permesso al sistema di diventare più specializzato, con enzimi dedicati che producono segnali specifici e recettori dedicati che li leggono con alta precisione. Il complesso sistema di comunicazione ad alta velocità del cervello umano è, dunque, non un'invenzione del tutto nuova, ma una versione altamente raffinata di un antico sistema a scopo generale che è in uso fin dall'alba della vita animale.

I ricercatori hanno confermato queste scoperte esaminando le mappe genetiche di questi animali. Hanno tracciato la storia evolutiva dei geni responsabili della produzione e del trasporto di queste sostanze chimiche, mostrando che le versioni specializzate presenti negli esseri umani sono discendenti diretti delle versioni ampie e flessibili trovate in spugne e meduse. Hanno anche utilizzato la modellazione informatica per prevedere come si comporterebbero i recettori del polipo, confermando che sono strutturalmente capaci di legare l'acetilcolina con la stessa forza dei recettori umani. Questa convergenza di rilevamento chimico, analisi genetica e modellazione strutturale fornisce un quadro robusto del passato. Dimostra che la transizione da un segnale chimico semplice e generale a un sistema nervoso complesso e specializzato è stata un processo graduale di specializzazione, non un salto improvviso.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice comprensità del passato. Suggeriscono che i meccanismi fondamentali della comunicazione cellulare siano profondamente conservati in tutto il regno animale. La capacità di utilizzare piccole molecole per influenzare il comportamento cellulare è una proprietà che risale ai primissimi animali multicellulari. I sistemi specializzati che vediamo negli esseri umani sono costruiti su questa antica fondamenta. Studiando gli animali più semplici, gli scienziati possono vedere le materie prime da cui è stata costruita la nostra stessa complessa biologia. Lo studio conclude che i sistemi di segnalazione chimica su cui facciamo affidamento per il pensiero, il movimento e la sensazione non sono unici per noi, ma sono un tratto ereditato da un antenato comune che visse centinaia di milioni di anni fa, molto prima che esistesse il primo animale bilaterale.