Долгое время животные на Земле обходились без позвоночника, головы и головного мозга, а клетки их нервной системы были более-менее равномерно распределены по телу. Однако постепенно нейроны стали концентрироваться в передней части, обеспечив быструю и надежную связь с органами чувств. Со временем этот нервный ганглий выделился в полноценный мозг, заключенный в голове и соединенный с телом через спинной мозг в позвоночнике — как у нас. Европейские ученые выяснили, как проходили первые и самые ранние шаги этого процесса. Об этом они пишут в статье, опубликованной в журнале Nature.
Ут Ротбахер (Ute Rothbächer) из Университета Инсбрука и его коллеги из Австрии и других стран исследовали оболочников Ciona intestinalis. Это крайне примитивные морские хордовые животные, внешне напоминающие скорее мешкообразных губок или кишечнополостных. Черты хордовых у них можно различить лишь на личиночной стадии развития, когда они активно плавают, пользуясь хвостом, в котором ненадолго формируется хорда. Биполярные нейроны хвостового ганглия соединяют чувствительные и моторные нейроны этих личинок, представляя собой простейший аналог будущего головного мозга.
Ученые обнаружили, что развитие биполярных нейронов в хвосте у оболочников запускается геном Hmx, участвующим в ранних этапах формирования головного ганглия у других, более сложных хордовых животных. Этот ген содержит гомеобокс — стандартный участок, позволяющий связываться с ДНК и регулировать ее экспрессию. Гомеобокс служит важным признаком генов, который контролирует работу множества других генов, запуская «встроенные программы» развития органов и тканей. От этих управляющих генов зависит так много, что они весьма консервативны и мало меняются в процессе эволюции.
Тот же Hmx определяет образование головного нервного ганглия у миног, еще одной группы примитивных хордовых, которые, однако, уже похожи на «полноценных» позвоночных животных. Они имеют полноценный передний и задний концы и развитую хорду, а их головной ганглий развивается в некоторых деталях почти как настоящий мозг. Чтобы продемонстрировать универсальность Hmx, ученые отключили его у оболочников, заменив аналогом, полученным у миног. Это по-прежнему приводило к формированию биполярных нейронов в хвосте Ciona. И наоборот: у миног ген Hmx из оболочников запускал развитие головного ганглия.
«Удалось показать, что Hmx — центральный ген, исключительно консервативный в эволюции, — резюмирует Алессандро Пеннати (Alessandro Pennati), один из авторов новой работы. — Возможно, его структура и функции определились уже у общего предка позвоночных и оболочников».