Význam struktury nervového systému a evoluce neurální elektroinstalace

Nová studie v tomto týdnu online vydání Sborník z Národní akademie ved , ukazuje neuveritelný stupen biologické rozmanitosti v prekvapivém míste, tj. v jediném neurálním spojení v stene tela mouch. Toto zjistení otevírá nové spektrum zajímavých otázek, které se týkají významu struktury nervového systému a evoluce nervového vedení.
Genetik Barry Ganetzky, profesor biologických ved Steenbock na univerzite ve Wisconsinu-Madisonu prohlásil:

"Nevíme témer nic o vývoji nervového systému, i kdyz víme, ze se to musí stát - zmeny chování, zmena slozitosti, pridání nových neuronu, vytvorení ruzných synaptických vazeb."

Toto zjistení je jeste okouzlující, jelikoz Ganetzky a jeho doktorka Megan Campbell objevily necekanou rozmanitost na míste velmi známém vedcum, tj. Neuromuskulární krizovatce 4 (NMJ4), místo, kde jediný motorický neuron kontaktuje urcitý sval v mouchu stena tela, která rídí svou cinnost. Synapsy, kde neurony spojují své neuronální nebo svalové cíle, mají slozitou strukturní podobu, vypadají jako miniaturní stromy zdobené drobnými zárovkami, které jsou nervovými terminály (synaptické boutony).
Ganetzky vysvetluje:

"Synapsy jsou místem, kde dochází k dulezitému prenosu informací a integrujícím funkcím nervového systému. Jde o základní místo, kde probíhá zpracování informací, a existuje presvedcení, ze struktura synapse je klícem k pochopení její funkce."

Kazdý sval je zásobován jiným motorickým neuronem, který tvorí NMJ tvaru, velikosti a geometrie charakteristické pro daný NMJ. Vzhledem k konzistenci anatomie mouchy, i pres ruzné druhy umoznuje výzkumníkum identifikovat presne stejnou synapsu v ruzných jednotlivých muchách. Synaptický vývoj a funkce NMJ4 byly dobre prozkoumány a Ganetzky pouzíval NMJ4 jiz více nez 20 let k identifikaci genu s radou biologických rolí od pohybových poruch az po neurodegeneraci.
Nejnovejsí projekt vychází z jednoduché debaty o tom, co je skutecne "normální" pro laboratorne chované ovocné musky a jejich divoké protejsky. Campbell objevil pri vysetrení NMJ4 na spolecné laboratori ovocné musky, Drosophila melanogaster, ze synaptická morfologie mezi laboratorne a divokými muchami, stejne jako mezi kmeny získanými v Madisonu, Wis., A kmeny tak daleko od Zimbabwe byla konzistentní, pricemz vsechny mouchy mely podobne vypadající altány a boutony.

Povzbuzeni tímto objevem se rozhodli dále zkoumat. Ganetzky ríká: "Drosophila je velmi bohatý rod - tisíce druhu s ruzným chováním, ruznými preferencemi jídla, ruznými prostredími, ruznými klimaty, ruznými rozmery - s divergencí vzhuru 50 milionu let." Muze být srovnáván s evolucní separací mezi mysí a lidmi.
Dodává, ze bez ohledu na tyto rozdíly je plán tela larválu presne stejný u vsech známých druhu Drosophila bez ohledu na jejich velikost, stanoviste nebo zdroj potravy a uvádí, ze:
"Bunka pro bunku, svalovou stenu tela a inervacní vzory jsou totozné."
Zacali vysetrovat NMJ4 u jiných druhu Drosophila pomocí sbírky musek evolucní biologa Seana B. Carrola z UW-Madison. Ocekávali, ze naleznou nejaké predvídatelné vzory s malými rozdíly, kdyz se soustredí na cílovou synapse u 21 ruzných druhu Drosophila z celého sveta, nicméne po prozkoumání jen nekolika druhu Campbell rekl, ze se objevil jiný obrázek.
Podobne jako Drosophila melanogaster, kazdý druh mel charakteristický vzhled NMJ4, presto se tento vzhled výrazne lisil mezi druhy. Zatímco NMJ4 v nekterých druzích sestával z nekolika boutonu usporádaných v jednoduchém nerozvetveném vzoru, jiní meli mnoho boutonu rozlozených na nekolika dlouhých vetvích, nebo mnoho boutonu zaborených do hustých, pevne seskupených altaru.
Prestoze Ganetzky prohlasuje: "Výsledky byly naprosto beznadejné - variace daleko presahující vse, co jsme kdy ocekávali", bylo zde více prekvapení.
Pozoruhodné variace slozitosti neodpovídaly vývojovému vztahu mezi druhem, tj. NMJs více blízce príbuzných druhu nevypadaly podobne ve srovnání s temi vzdálenejsími príbuznými muchami.
Dokonce objevili zrejmé rozdíly mezi druhy, které byly oddeleny méne nez miliónem let evoluce, druhy, které se jinak zdají být podobné, ze i odborníci na létání mají potíze s jejich rozlisováním na základe vzhledu. Podle výzkumníku je takový rychlý vývoj ohromující, ackoli jeho biologický význam zustává nejasný.
Jednou odpovedí na otázku, co by mohlo vysvetlit takovou mimorádnou variaci, muze být moznost genetického driftu, náhodná akumulace genetických variací, které mení vzhled NMJ, ale které jinak nemají vliv na organismus. V zásade postací jakýkoliv NMJ, který slouzí tomuto úcelu. Dalsí alternativou by mohlo být, ze kazdý NMJ je tvoren prirozeným výberem kvuli jeho konkrétní velikosti a strukture, aby nejakým zpusobem zvýsil prezití nebo reprodukcní úspech clenu tohoto druhu.
S pomocí kolegu z genetiky UW-Madison Bret Payseur a Beth Dumont pouzívali kvantitativní model pro zkoumání ruzných struktur NMJ jako funkce evolucního spojení mezi 11 druhy, jejichz evolucní strom je presne znám ze sekvenování genomu.
Ganetzky ríká, ze výsledky ukazují, ze variabilita, kterou pozorovali, se nezdá být náhodná, a to:
"To, co naznacuje, je, ze existuje nejaká hnací síla - prirozená selekce - která vytvárí synapse jako urcitý zpusob."
Predpokládají hypotézu, ze nervová funkce by byla zrejmým cílem výberu a merené elektrické aktivity v obvodu, ale objevily záznamy o cinnosti ze ctyr druhu, které predstavují rozsah strukturální slozitosti, odhalily stejné základní neurální fungování bez ohledu na synaptickou strukturu.

Podle výzkumníku mohou existovat jemné funkcní rozdíly mezi ruznými strukturami NMJ, které zustaly nezjisteny jejich stanovením, ale které by se mohly odlisit do odlisných biologických rozdílu. Napríklad ucební kapacita nebo reakce na stres, které by byly cílem pro prirozený výber.
Ganetzky komentuje:
"Veríme, ze existuje nejaký duvod, proc je zálezitost dulezitá, ale jeste nevíme, co je to duvod."
Campbell a Ganetzky v soucasné dobe zkoumají, zda mají ci nemají genetické a molekulární mechanismy a biologický význam této prirozene se vyskytující variability.
Ganetzky uzavírá:

"Myslíme si, ze jsme udelali dulezitý objev o prírode, o kterém si myslíme, ze otevírá vsechny nové dvere. V tomto okamziku jsme vyvolali mnoho dalsích otázek, nez jsme odpovedeli ... otázky ohledne vývoje nervových systému, vývoj chování, vztah mezi neuronální a synaptickou morfologií a funkcí. Doufám, ze to zachycuje zájem vedcu v mnoha dalsích oblastech, aby vyuzili své vlastní oblasti odbornosti. "

Napsal Petra Rattue