A (kémiai) szinapszis azon kevés biológiai fogalmak egyike, amely feltehetőleg mindenki számára valamilyen minimum homályos jelentéssel bír. A kifejezés azt a struktúrát takarja, amely két idegsejt (neuron) találkozásánál jön létre, és ahol az egyik (preszinaptikus) neuronból érkező elektromos jel kémiai jellé alakulva a sejtek közötti téren áthatol, majd stimulálja vagy gátolja a másik (posztszinaptikus) sejtet. Ahhoz, hogy a dolog működjön mind két sejt oldalán bonyolult molekuláris komplexekre van szükség: a preszinaptikus partnernél apró kis hólyagocskákban (vezikulákban) levő ingerületátvivő anyagok (neurotranszmitterek), amelyek az elektromos impulzus érkezésekor a sejtközti térbe ürülnek, majd a posztszinaptikus partner megfelelő receptoraihoz kötődve fejtik ki hatásukat. Itt (a “túloldalon”) egy mikroszkópos képeken sötét vonalként megjelenő struktúra kapcsolódik a receptorok sejten belüli részeihez. Ez posztszinaptikus denzitás néven fut a tudományos irodalomban, és mindazon fehérjék gyűjtőneve, amelyek itt elhelyezkedve és együttműködve, a neurotranszmitterek által közvetített jel feldolgozásáért felelősek.
A szinapszis az idegrendszer egyik alapvető működési eleme és ennek megfelelően igencsak konzervált a felépítése az állatvilágban: gyakorlatilag a legősibb szövetes állatcsoportnak tartott csalánozóktól kezdve, ecetmuslicákon át, az emberig ugyanazon fehérjékkel futunk össze a szinapszisokban. Még úgy is, hogy a csalánozóknak csak egy primitív ideghálójuk van, a rovarok és gerincesek központi idegrendszere, pedig szintén radikálisan eltérő felépítésű.
Pont ez a fajta fokozott működésbeli konzerváció, azonban érdekes kérdést vet fel: miképpen jöhetett létre egy ilyen struktúra, az evolúció során? Hiszen, ha egy elemet elveszünk egy ilyen molekuláris komplexumból, az könnyen működésképtelenséghez vezet.
A válaszhoz (pontosabban a részleges válaszhoz, lásd később, hogy miért) az összes szövetes állat rokonaihoz, a szivacsokhoz kell fordulnunk. A szivacsoknak semmilyen idegrendszerük nincs, hiszen (jelen tudásunk szerint) idegsejtjeik sincsenek, vagyis nincs is értelme szinapszist keresni bennük. Ha tehát megnézzük, hogy a szinapszis két oldalát alkotó fehérjék jelen vannak-e, illetve, ha igen milyen funkcióval rendelkeznek, akkor egy képet kaphatunk arról, hogy milyen szerepük lehetett a szivacsok és szövetes többsejtű állatok őseiben, a kémiai szinapszis kialakulását megelősző időkben.
A University of California egyik kutatócsoportja épp valami ilyesmibe kezdett vele, és elkezdték megvizsgálni a posztszinaptikus denzitást alkotó fehérjék szivacs-megfelelőit (homológjait). Az első meglepetés az volt, hogy majdnem mind jelen voltak (ez azért nem triviális, mert elképzehető lett volna, az is, hogy a közös ősben egyszerűen még nem is jött létre sok szinaptikus fehérje), lásd kék színnel jelölve az alsó ábrán – a kivételt egy neurotranszmitter-receptor család, az ún. ionotróp glutamát receptorok képezték. A második, ha lehet még nagyobb meglepetés pedig az volt, hogy a fehérjék azon részei, amelyek az emberi idegekben a fehérjék összekapcsolódását segítik elő, esetenként (az ún. PDZ-domének esetén) 90%-ban azonosak voltak! Ez pedig erősen azt sugallja, hogy a szivacs sejtjeiben is összekapcsolódnak, különösen mert az összes ilyen homológ gén kifejeződik a szivacslárvák egy speciális sejttípusában, a flaska-sejtekben (flask cells). (Mivel csak génkifejeződést néztek, ez még nem végleges bizonyíték a kapcsolódásra, utóbbit értelemszerűen csak fehérjeszinten lehet vizsgálni.)
Hogy milyen szerepük lehetett ezeknek a ősi “posztszinaptikus denzitásoknak”, az most még rejtély. A flaska sejtek feltehetően a szivacs-lárva környezetét érzékelik valamiképpen – így kis jóindulattak az idegsejtek őseinek vélhetjük őket -, s feltételezhetően a proto-szinapszisnak ebben lehet valamilyen szerepe. De ennek pontos ismerete nélkül is jól látható, hogy a szinapszis nem a semmiből jött létre. Sőt, a folyamat nagyon jól szemlélteti az exaptáció folyamatát: azt, hogy az evolúció “hozott anyagból” dolgozik, és már meglevő struktúrákat használ fel új funkciók elvégzésére. Gondoljunk például egy denevér szárnyára, amely mai tulajdonosát akrobatikus repülési képességekkel ruházza fel, de eredeti funkciója jóval parlagibb volt: a szárazföldön való helyváltoztatást volt hivatott elősegíteni. A proto-szinapszis – szinapszis és mellső láb – szárny átalakulás ugyanazt a folyamatot szemlélteti (és akkor még nem is említettem a kreacionisták kedvenc témáját, a bakteriális flagellumot, ami hasonló “logika” mentén jöhetett létre a baktériumok membránjában levő szekréciós készülékből).
Persze, ha igazán kritikusak és objektívek akarunk lenni, megjegyzendő, hogy a mai adataink birtokában egy másik lehetőség sem zárható ki teljesen: hogy a szivacsok és szövetes állatok közös ősének igenis volt valamilyen egyszerű idegrendszere, tokkal, szinapszissal vonóval, csak a szivacsok valamiért degenerálódtak. (Szerintem sokkal kisebb az esélye, de tény, hogy elképzelhető.) Ez pedig azt jelentené, hogy amit most proto-szinapszisnak vélünk, az valójában egy ősi szinapszis maradványa. A dolog tisztázásához segítséget nyújthat még egyszerűbb élőlények tüzetes vizsgálata a többsejtűség határán levő Volvox éppen ideálisnak látszik a feladatra, különösen, mert ezekben a különleges élőlényekben is találkozhatunk flaska-sejtekkel (bár megjegyzendő, hogy arról gőzöm sincs, a két élőlény flaska sejtjei valóban homológok, vagy csak valamilyen más okból hasonlít a formájuk – kicsit a hasamra ütöttem most ;-)). Mivel a proto-szinapszis legtöbb eleme hiányzik a növényekből és gombákból, mindenképpen érdekes lesz megérteni, hogy mi is volt az eredeti funkciója ennek a molekuláris struktúrának.
(A szinapszis ábra a University of Colorado egyik honlapjáról származik, a szivacsos fotó pedig Richard Seaman munkáját dicséri.)
Sakarya O, Armstrong KA, Adamska M, Adamski M, Wang I, et al. (2007) A Post-Synaptic Scaffold at the Origin of the Animal Kingdom. PLoS ONE 2(6): e506. doi:10.1371/journal.pone.0000506