2021 год можно по праву считать переломным в изучении эволюции нервной системы. Случилось это благодаря выходу в свет публикаций, опирающихся на относительно недавно появившиеся методы полногеномного клеточного секвенирования. Об одной из этих работ вышел мой комментарий в начале года. Но, как и следует ожидать, настоящим прорывом становятся работы, сочетающие новые методические возможности с большими научными вопросами и широкой эрудицией авторов. К их числу относятся сразу три публикации 2021 года группы профессора Флоридского университета США Леонида Мороза, грандиозная трилогия эволюционной нейробиологии.

Леонид Мороз свой интерес к вопросам происхождения нейронов и химической сигнализации связывает с работами выдающегося нейробиолога Д. А. Сахарова (ИБР РАН), которые вышли еще в семидесятых - восьмидесятых годах прошлого века. Именно ему посвящена первая из трех статей Мороза, в которой последовательно проводится верификация многих ранних идей Д.А. Сахарова. «This manuscript is dedicated to the 90th anniversary of Prof. D. A. Sakharov, whose ideas and the book ‘Genealogy of Neurons’ were the driving forces beyond of this manuscript». Перечислим основные из них.

1. Полигения или множественное происхождение нейронов в эволюции. Полногеномное секвенирование представителей пяти базальных таксонов многоклеточных организмов дало новые факты в пользу этого предположения. Так оказалось, что гребневики имеют две нервные системы в мезоглее и эктодерме; у стрекающих их тоже две, но в эктодерме и эндодерме; у билатерий — отличная от гребневиков и стрекающих, привычная нам нервная система. Поскольку эволюционная дистанция и дивергенция генов очень велики между этими группами, Мороз и коллеги предположили, что эти комплексы нервных систем у гребневиков, стрекающих и билатерий могли эволюционировать независимо друг от друга. Фенотипическое сходство нейронов у разных групп могло появиться под действием движущего отбора при сходных условиях окружающей среды и быть примером конвергенции. Эти результаты позволили предсказать места возможного независимого появления нейронов на эволюционной шкале (см. Рис. 1). На основании генетических данных впервые удалось получить комплексное представление и о сигнальных интегративных системах, используемых представителями разных линий (тот же рисунок). Видно, что к числу одних из наиболее древних и консервативных трансмиттеров относятся глутамат, NO, АТФ и пептиды. Тогда как моноамины оказались характерны только для билатерий и близких к ним книдарий.

2. Нейротрансмитеры были унаследованы от донервных форм сигнализации. Это представление, высказанное в середине прошлого века Х.С. Коштоянцем и активно развиваемое Д.А. Сахаровым, Г.А. Бузниковым, В. Я Бродским уже можно считать доказанным. Леонид Мороз предлагает более сильное утверждение: «трансмиттеры сделали нервную систему». Тщательный разбор этой темы уже блестяще проведен Светланой Ястребовой на Элементах (https://elementy.ru/...), а также см. мой доклад на совместном семинаре с ИПУ РАН (https://www.youtube.com/... ).

3. Возможность несинаптической организации поведения мультитрасмиттерного клеточного ансамбля. Изучение особенностей биологии, поведения, физиологии и генетики трихоплакса, представителя Placozoa, группой Л. Мороза и, главным образом, его ученицы Дарьи Романовой стало весомым подтверждением этой идеи. Трихоплакса относят к примитивным донервным многоклеточным организмам. Животное способно к скоординированной локомоции, достаточно сложно организованному пищевому поведению, избеганию. Генетический анализ выявил десятки сигнальных систем, включающих и ферменты синтеза сигнальных молекул, и рецепторы к ним. Среди них обнаружены классические нейротрансмиттеры (глутамат, гамк), большое число пептидов, оксид азота. Транскриптомика единичных клеток показала специфичность химизма (разные клетки используют разные химические секреторные молекулы и имеют разный спектр рецепторной чувствительности). Фармакологические эксперименты доказали координирующую роль в поведении некоторых из этих сигнальных веществ. Короткий обзор этих результатов приводится в первой статье Л. Мороза с соавторами. На них основывается предположение о несинаптической организации первых нервных систем в эволюции и более позднем появлении синапсов, причем также множественном и независимом появлении в разных таксонах (Рис. 3)

4. Идее о происхождении нейронов из секреторных клеток посвящена вторая статья, опубликованная журналом Frontiers in Molecular Neuroscience в тематическом выпуске, посвященном неканоническим эффектам нейротрансмиттеров, таким как сигнализация в ненервных тканях, прямые модификации белков и гистонов (например, аминирование), гормональные эффекты. Эволюционный аспект статьи делает очевидным каноничность этих явлений, существовавших, по-видимому, задолго до появления нейронов и нервной системы. Наличие паннексинов в геноме донервных организмов позволяет предположить, что секреторные клетки научились использовать их не только в качестве щелевых контактов, но и для активной несинаптической секреции таких веществ как АТФ, глутамат и др. в межклеточное пространство для ускорения обмена сигналами. То есть основа будущих электрических синапсов также могла быть унаследована нейронами от их активно секретирующих предшественников. Интересно, что это относительно недавно открытая несинаптическая секреторная функция паннексинов/коннексинов также сохранилась и у современных позвоночных.

Статью Л. Мороза в журнале Frontiers смело можно назвать программной. В ней много внимания уделяется перспективам развития «новой» нейробиологии, основанной на представлениях о множественном происхождении нейронов и эволюционном изучении химического языка нервной системы. Автор предполагает, что сравнительная транскриптомика нейронов у малоизученных таксонов многоклеточных животных позволит построить своего рода периодическую систему, в которой свойства нейрона будут предсказываться его генеалогическим положением. О том, что сейчас мы находимся в самом начале этого пути, говорит тот факт, что из 36 современных типов многоклеточных животных нейрональные сигнальные системы относительно хорошо исследованы только у 5 (Chordata, Arthropoda, Nematoda, Mollusca, Annelida).

Грандиозные возможности, которые этот путь открывает хорошо иллюстрируются следующей статьей Леонида Мороза, посвященной эволюции самого распространенного нейротрансмиттера глутамата. Как и почему именно глутамат оказался пантрансмиттером в мире многоклеточных, какие события должны были произойти, чтобы один из самых распространненых клеточных метаболитов стал сигнальной молекулой, почему, заняв лидирующее положение у позвоночных он утратил множество типов рецепторов и функций, которые выявлены у беспозвоночных? Ответ на эти вопросы можно найти в последней работе, вышедшей в июле этого года. Ее краткому обзору будет посвящен мой следующий комментарий.