From promiscuity to specialization: The origin of cholinergic and monoaminergic signaling is pre-bilaterian
本研究は、コリン作動性およびモノアミン作動性のシグナル伝達系が、神経細胞および非神経細胞に共通する汎用的な広範な特異性を持つ機構を通じて前左右相称動物の祖先において起源したこと、そして、その後の特化した専用成分の進化は左右相称動物内において特異的に起こったことを示している。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
1世紀以上にわたり、生物学者は動物が複雑な化学言語を通じてコミュニケーションを行っていることを理解してきました。神経細胞は、神経伝達物質と呼ばれる微小な分子を放出し、筋肉を収縮させるのか、脳に信号を送るのか、あるいは行動を変化させるのかといった、他の細胞への指示を伝えます。これらのメッセンジャーの中で最も重要なものの一つに、ドーパミンやセロトニン、そしてアセチルコリンを含む「バイオジェニックアミン」として知られるグループがあります。数十年にわわたり、主流の考え方は、この洗練された化学システムは比較的最近の発明であり、人間、昆虫、ミミズのような左右対称の構造を持つ複雑な左右相称動物が進化した時に初めて現れたというものでした。スポンジやクラゲのようなより単純な動物は、これらの信号を生成、輸送、受信するために必要な特定の分子機構を欠いており、代わりに、より原始的な形態のコミュニケーションに依存していると考えられていたのです。
新しい研究はこの長年の定説に異を唱え、私たちの神経系のルーツが生命の歴史のより深い部分に根ざしていることを示唆しています。地球上で最も単純な動物を調査することで、研究者たちは、このシグナリングシステムの化学的ツールが、最初の左右相称動物が泳ぎ始めるずっと前から存在していたことを発見しました。彼らは、これらの古代の生物がこれらの神経伝達物質を作り、使用するための同じ基本的な成分を持っているものの、それらをより一般的で柔軟な方法で使用していることを発見しました。人間や他の高度な動物に見られる複雑で専門化されたシステムは、すべての動物の共通の祖先にすでに存在していた、古代の多目的なツールキットを、後に洗練させたもののように見受けられます。
研究者たちは、これらの化学信号が本当に初期の動物には欠如していたのか、それとも単に見落とされていただけなのかを検証することに乗り出しました。彼らは、動物の系統樹の異なる枝を代表する4つの異なる種、すなわち淡水スポンジ、ヒドラと呼ばれる小さな淡水ポリプ、イソギンチャク、そして海洋蠕虫（ミミズの仲間）のサンプルを集めました。非常に高感度な化学分析を用いて、彼らは様々なバイオジェニックアミンの存在を調べました。結果は明白でした。スポンジ、ポリプ、イソギンチャクはすべて、アセチルコリン、ドーパミン、ヒスタミン、アドレナリン、およびその他の関連化合物の測定可能な量を含んでいました。スポンジには、脊椎動物における「戦うか逃げるか」の反応に関連する物質であるアドレナリンさえも含まれていました。この発見だけでも、これらの分子が複雑な動物に特有のものではないことを証明しています。つまり、中央集中型の脳や私たちが知るような神経系を持たない生物にも存在していたのです。
次のステップは、これらの動物がどのようにしてこれらの化学物質を作っているのかを理解することでした。複雑な動物において、特定の神経伝達物質の生成は、それぞれが特定の分子のみを作り出すように設計された、高度に専門化された酵素によって処理されます。研究者たちは、古代の動物はこれらの専門化された酵素を持っていないことを発見しました。その代わりに、彼らはより古く、より柔軟なバージョンを持っていました。これらの祖先的な酵素は「プロミスキャス（多能性）」、つまり、単一の酵素が同じ出発原料から非常に多様な異なる化学メッセンジャーを生成できることを意味していました。例えば、人間においてアセチルコリンを作る責任を負う酵素は、専念したスペシャリストです。しかし、スポンジやポリプにおける同等の酵素は、主に別の代謝タスクを扱うものの、副作用としてアセチルコリンも生成できるジェネラリスト（汎用型）です。これは、これらの信号を作る能力が、専用の発明を必要としたのではなく、初期の細胞ですでに活性化していた代謝プロセスから自然に生じたものであることを示唆しています。
研究はまた、これらの化学物質がどのように移動し、受け取られるかについても調査しました。複雑な動物では、特定のトランスポーター（輸送体）が神経伝達物質を小さな貯蔵泡の中に積み込み、細胞表面の特定の受容体がそれらを受け取ります。研究者たちは、古代の動物が広範囲に作用するバージョンのトランスポーターと受容体を持っていることを発見しました。彼らは多くの異なる種類の分子を移動させることができるトランスポーターと、いくつかの異なる信号に結合できる受容体を持っていました。しかし、彼らはポリプとイソギンチャクにおいて、専門化されたシステムを示す決定的な証拠を見つけました。これらの動物は、アセチルコリンに特異的に結合する受容体を持っており、この信号に反応する筋肉のような細胞を持っています。ポリプにおいては、これらの受容体は神経細胞に見られますが、体の壁を構成する細胞にも見られ、これはアセチルコリンが私たちの筋肉におけるのと同様に、これらの単純な動物の運動を調整するために使用されていることを示唆しています。
この発見は、神経系がいかに進化したかについての私たちの理解を再構築します。それは、神経系の化学言語が最初の複雑な動物とともに突然現れたのではないことを示唆しています。むしろ、その構成要素はすでに存在しており、最初期の動物の細胞のあちこちに散らばっていたのです。これらの細胞は、一般的なコミュニケーションや代謝の目的のためにこれらの化学物質を使用していました。数百万年にわたり、動物が複雑になるにつれて、これらの酵素や受容体の遺伝子が複製され、修正されました。この重複のプロセスにより、システムはより専門化され、特定の信号を作る専用の酵素と、それらを高精度で読み取る専用の受容体へと進化することができました。したがって、人間の脳における複雑で高速な通信システムは、全く新しい発明ではなく、高度に洗練された、古代の汎用システムを継承したものなのです。
研究者たちは、これらの動物の遺伝的設計図を調べることで、これらの発見を確認しました。彼らは、これらの化学物質を作り、移動させる責任を負う遺伝子の進化の歴史を辿り、人間に見られる専門化されたバージョンが、スポンジやクラゲに見られる広範で柔軟なバージョンの直接の末裔であることを示しました。また、コンピュータモデリングを用いてポリプの受容体がどのように振る舞うかを予測し、それらが人間の受容体と同じくらい強くアセチルコリンに結合できる構造的能力を持っていることを確認しました。化学的検出、遺伝子解析、および構造モデリングのこの収束は、過去に関する強固な全体像を提供しています。それは、単純で一般的な化学信号から複雑で専門化された神経系への移行が、突然の飛躍ではなく、漸進的な専門化のプロセスであったことを示しています。
この研究の意義は、単に過去を理解することにとどまりません。それは、細胞間コミュニケーションの根本的なメカニズムが、動物界全体にわたって深く保存されていることを示唆しています。小さな分子を用いて細胞の挙動に影響を与える能力は、最初の多細胞動物にまで遡る特性です。私たちに見られる専門化されたシステムは、この古代の基礎の上に築かれています。最も単純な動物を研究することで、科学者は、私たちの複雑な生物学がどのような原材料から構築されたのかを見ることができるのです。研究は、思考、運動、感覚のために私たちが依存している化学的シグナリングシステムは、私たち特有のものではなく、最初の左右相称動物が存在するずっと前、何億年も前に生きた共通の祖先から受け継いだ形質であると結論付けています。
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