Τα ευρήματά τους αποκαλύπτουν ότι τα κρανιακά αισθητηριακα γάγγλια των σπονδυλωτών προέρχονται από ένα κοινό πρόγονο με τους πλησιέστερους εν ζωή συγγενείς τους, τα χιτωνοφόρα.
Τα ασπόνδυλα κυριάρχησαν όταν άρχισε να αναδύεται η ζωή στο υδάτινο περιβάλλον. Αν και διέθεταν ήδη χαρακτηριστικά εγκεφάλου, τελικά επικράτησαν τα σπονδυλωτά επειδή ανέπτυξαν ένα νέο, αναπτυγμένο εγκέφαλο που επέτρεψε μια ευρεία χωρική διασπορά και τον πολλαπλασιασμό των αισθητηρίων κυττάρων και οδήγησε σε μια πολύ βελτιωμένη αντίληψη του περιβάλλοντος, που ήταν επίσης κρίσιμη για την επιβίωση.
Τα χιτωνοφόρα είναι μια ομάδα θαλάσσιων ζώων που μοιάζουν με μικρές, χρωματιστές σταγόνες και που περνούν το μεγαλύτερο μέρος της ζωής τους προσκολλημένα σε αποβάθρες, βράχους ή στις κάτω πλευρές των σκαφών. Στην πραγματικότητα σχετίζονται πιο στενά με σπονδυλωτά σαν τους ανθρώπους παρά με τα περισσότερα άλλα ασπόνδυλα ζώα.
Παρά την απλή εμφάνισή τους και την πολύ διαφορετική ενήλικη μορφή, η στενή τους συγγένεια με τα σπονδυλωτά είναι εμφανής κατά τη διάρκεια του σταδίου της προνύμφης, όπου κινούνται. Συγκεκριμένα οι προνύμφες μοιάζουν με γυρίνους και έχουν νωτοχορδή. Το όνομα χιτωνοφόρα προέρχεται από το ιδιαίτερο εξωτερικό τους κάλυμμα (χιτώνα) το οποίο αποτελείται από πρωτεΐνες και υδατάνθρακες και λειτουργεί ως εξωσκελετός.
Η ερευνητική ομάδα της Ute Rothbächer από το Ινστιτούτο Ζωολογίας του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ έδειξε ότι τα αισθητήρια κύτταρα στα γάγγλια κρανιακού νεύρου των σπονδυλωτών προέρχονται από ένα γενετικό πρόγραμμα που συναντάται επίσης στους πιο στενούς εν ζωή συγγενείς τους, τα χιτωνοφόρα.
Συγκεκριμένα οι προνύμφες των χιτωνοφόρων φέρουν στις ουρές τους κάποιους αισθητικούς νευρώνες, που ονομάζονται διπολικοί νευρώνες ουράς. Αυτοί επεξεργάζονται εξωτερικά ερεθίσματα, αλλά είναι επίσης υπεύθυνοι και για την κίνηση του ζώου. Και στις δύο ζωικές υποσυνομοταξίες (σπονδυλωτά και χιτωνοφόρα) οι αντίστοιχες δομές κωδικοποιούνται από το ίδιο γονίδιο Homeobox Hmx.
«Τα χιτωνοφόρα είναι σαν ένα εξελικτικό πρωτότυπο για τα σπονδυλωτά», εξηγεί η Rothbächer. «Ωστόσο, οι κοινές δομές και μηχανισμοί μπορούν να εντοπιστούν μόνο στο εμβρυϊκό στάδιο. Ο κοινός μας πρόγονος ήταν πιθανότατα πολύ παρόμοιος με μια χιτωνοφόρα προνύμφη».
Το διατηρημένο γονίδιο
Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκε η λάμπρα, ένα πρωτόγονο ψάρι που μοιάζει με χέλι και αναφέρεται συχνά ως «ζωντανό απολίθωμα» και το χιτωνοφόρο Ciona intestinalis (κοινώς Λευκόφουσκα), το οποίο περιβάλλεται από έναν κιτρινωπό, σωληνωτό μανδύα που προστατεύει το ζώο και φιλτράρει την τροφή.
Η λατινική του ονομασία σημαίνει κυριολεκτικά «στύλος των εντέρων», αναφερόμενος στο γεγονός ότι το σώμα του είναι μια μαλακή, ημιδιαφανής δομή σαν στήλη, που μοιάζει με μια μάζα εντέρων που φυτρώνει από ένα βράχο.
Ο Alessandro Pennati, διδακτορικός φοιτητής στην ερευνητική ομάδα της Rothbächer, παρείχε καθοριστικά στοιχεία για τη λειτουργία του γονιδίου Hmx στη Λευκόφυσκα. Εφάρμοσε τη γονιδιακή τεχνολογία CRISPR-Cas9 για να αποκλείσει επιλεκτικά γενετικές αλληλουχίες, ενώ χρησιμοποίησε και τη μέθοδο της παροδικής διαγένεσης (transient transgenesis) για την υπερέκφραση γονιδίων (η διαγένεση είναι η παροχή γονιδίων αποτελεσματικά, με ασφάλεια και με ελεγχόμενο επίπεδο έκφρασης στον οργανισμό ξενιστή).
wikimedia commons
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το γονίδιο Hmx ελέγχει στα μεν χιτωνοφόρα την ανάπτυξη των διπολικών νευρώνων της ουράς, στα δε σπονδυλωτά την ανάπτυξη των κρανιακών αισθητηριακών γαγγλίων. «Το Hmx έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα κεντρικό γονίδιο που έχει διατηρηθεί κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Διατήρησε την αρχική του λειτουργία και δομή και πιθανότατα βρέθηκε σε αυτή τη μορφή στον κοινό πρόγονο των σπονδυλωτών και των χιτωνοφόρων», εξηγεί ο Pennati.
Τα κρανιακά αισθητήρια γάγγλια των σπονδυλωτών και οι διπολικοί νευρώνες ουράς των χιτωνοφόρων έχουν επομένως την ίδια εξελικτική προέλευση. Το γονίδιο Hmx πιθανώς συμμετείχε καθοριστικά στο σχηματισμό εξαιρετικά εξειδικευμένων αισθητηρίων οργάνων κεφαλής στα σπονδυλωτά.
