Первый мозг в природе

Прочитав геном гребневика (морского крыжовника), российские биологи и их зарубежные коллеги узнали о том, что нервная система возникала в эволюции дважды, и получили новые знания о том, как может работать нервная система, которые можно будет использовать в медицине.

Международная команда ученых прочитала геном морского беспозвоночного животного — морского крыжовника (Pleurobrachia bachei), представителя большой группы гребневиков (Ctenophore). Анализ его генов, опубликованный в журнале Nature, опровергает фундаментальные представления об эволюции животного мира.

Во-первых, полученные данные говорят, что гребневики, возможно, являются самыми древними животными.

До сих пор самыми древними считались гораздо более примитивные губки, у которых нет нервной системы. Во-вторых, гены гребневика навели биологов на мысль, что, возможно, нервная система в эволюции независимо возникала дважды.

Вид гребневика, который изучали ученые, за полупрозрачное желевидное тело с ресничками называют морским крыжовником. На первый взгляд он похож на медузу, но это сходство обманчиво. Гребневик — гораздо более сложный организм и относится к совершенно другому типу животных. Это хищник, он питается зоопланктоном, мелкими рачками и даже мальками рыб. Чтобы охотиться на добычу, гребневику необходима сложная нервная система. Биологи называют его нервную систему элементарным мозгом, он обеспечивает ориентацию в пространстве, координирует движение мышц и способен к регенерации при повреждении. Всего известно 150 видов гребневиков.

В России о гребневиках заговорили в связи с экологической катастрофой на Черном море, когда вселившийся туда в начале 1980-х годов гребневик мнемиопсис (Mnemiopsis leidyi) стал поедать зоопланктон и подрывать кормовую базу рыб, что сильно ударило по промысловому рыболовству. Управа на прожорливого вселенца нашлась в лице другого гребневика — берое (Beroe ovata), который питается мнемиопсисом.

Этих интереснейших животных собирала и изучала группа профессора Леонида Мороза в университетах Флориды и Вашингтона. Для исследования генома биологи объединились с группой профессора Евгения Рогаева, заведующего лабораторией в Институте общей генетики РАН и в Медицинской школе Массачусетского университета, специалиста в области нейрогенетики.

Как сказал «Газете.Ru» Рогаев, он давно хотел «найти для исследования генов животное, у которого впервые возникла структура нервной системы, которую можно было бы назвать мозгом»:

«Как ни странно, у специалистов не было однозначного ответа на вопрос, у кого впервые возникла такая структура. Поэтому обнаружение скопления нервных клеток мини-мозга у древней группы гребневиков показалось очень интересным».

Рогаев и его коллеги секвенировали последовательность ДНК морского крыжовника, используя геномные технологии последнего поколения. В дальнейшем анализе участвовали специалисты из США, России, Испании, Голландии и Англии. Российские ученые представляют Институт общей генетики РАН, факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ и Институт цитологии и генетики РАН в Новосибирске.

Первый вывод, к которому пришли ученые при сравнении генома гребневика с геномом других животных, состоит в том, что

группа гребневиков отделилась от остальных многоклеточных животных на ранних этапах эволюции около 600 млн лет назад.

Поэтому неудивительно, что они не похожи на остальных.

По словам профессора Рогаева, анализ показал, что более 19 500 генов морского крыжовника кодируют белки. Причем некоторые гены уникальны для гребневика, их нет у остальных животных. У гребневика найдены некоторые удивительные особенности, касающиеся регуляции работы генов, а именно у них отсутствуют микро-РНК (маленькие последовательности РНК). До сих пор микро-РНК были обнаружены у всех животных, они играют очень важную роль в развитии и функционировании организма. Однако морской крыжовник как-то обходится без них.

В лаборатории профессора Леонида Мороза было показано, что нервная система гребневиков отличается от нервной системы других животных по составу нейромедиаторов — химических передатчиков нервного сигнала в синапсах. У гребневика из всех известных нейромедиаторов обнаружен только глутамат, у него не нашли ни серотонина, ни дофамина, ни других.

В геноме гребневика отсутствует также ряд генов белков-рецепторов, участвующих в передаче химических сигналов между нейронами.

Такие уникальные особенности привели ученых к предположению, что нервная система и мышцы у гребневиков появились независимо от других животных.

Таким образом, получается, что нервная система возникала в эволюции дважды, или, как более осторожно говорит Евгений Рогаев, «по крайней мере, независимая эволюция двух нервных систем началась давно».

Гребневики оказались очень полезны для понимания фундаментальных основ биологии, но не только. Как подчеркивает Рогаев, «эволюционные построения могут уточняться и пересматриваться или интерпретироваться по-разному, но полученные факты не только помогают понять закономерности эволюции животных, но и

могут найти применение в практике, например в новых подходах к разработке лекарств»:

«Существование иных молекул и механизмов, осуществляющих передачу сигналов в нервной системе, может оказаться важным и для области нейродегенеративных или психических заболеваний. Например, выявление нейропептидов, которые могут использоваться вместо обычных нейромедиаторов, или молекул, обеспечивающих уникальные регенеративные способности этих животных».

Евгений Рогаев сказал «Газете.Ru», что эта работа была начата три года назад и была поддержана Александром Чикуновым, основателем группы компаний «Росток», которая занималась продвижением проектов, направленных на увеличение продолжительности жизни человека и борьбу со старением. «Это редкий для России случай меценатской помощи фундаментальному исследованию», — подчеркнул Рогаев.

В настоящее время группой Рогаева завершены некоторые геномные проекты, еще не опубликованные, например по генам болезни Альцгеймера и долгожительства.