Осьминоги, кальмары и каракатицы известны сложным поведением, от открытия аквариума и побега до мгновенной маскировки кожи, чтобы спрятаться от хищников. Новое исследование предполагает, что их эволюционный путь к нейронной сложности включает в себя новый механизм: продуктивное редактирование РНК за счет эволюции их геномной ДНК..
Исследование, проведенное под руководством Джошуа Дж. К. Розенталя из Морской биологической лаборатории (MBL), Вудс Хоул, Эли Айзенберга и Ноа Лискович-Брауэр из Тель-Авивского университета, опубликовано на этой неделе в Cell.
Исследование основано на предыдущем открытии ученых, что кальмары демонстрируют необычайно высокую скорость редактирования в кодирующих областях своей РНК, особенно в клетках нервной системы, что приводит к диверсификации белков, которые клетки могут производить. (Более 60 процентов транскриптов РНК в мозгу кальмара перекодируются путем редактирования, в то время как у людей или плодовых мушек только доля 1 процента их РНК имеет событие перекодирования.)
В настоящем исследовании ученые обнаружили столь же высокие уровни редактирования РНК у трех других «умных» видов головоногих (два осьминога и одна каракатица) и выявили десятки тысяч эволюционно законсервированных участков кодирования РНК у этого класса головоногих., называемый колеоидом. Они обнаружили, что редактирование особенно распространено в колеоидной нервной системе, воздействуя на белки, которые играют ключевую роль в нервной возбудимости и морфологии нейронов.
Они обнаружили, что редактирование РНК у более примитивных головоногих Nautilus и моллюска Aplysia происходит на несколько порядков ниже, чем у колеоидов.«Это показывает, что высокие уровни редактирования РНК, как правило, не свойственны моллюскам, а являются изобретением колеоидных головоногих», - говорит Розенталь. У млекопитающих сохранилось очень мало сайтов редактирования РНК; считается, что они не подвергаются естественному отбору. «У этих головоногих происходит что-то принципиально иное, поскольку многие события редактирования высоко консервативны и демонстрируют явные признаки отбора», - говорит Розенталь.
Ученые также обнаружили поразительный компромисс между высоким уровнем перекодирования РНК и эволюцией генома у этих головоногих. Наиболее распространенная форма редактирования РНК осуществляется ферментами ADAR, которые требуют больших структур (dsRNA), фланкирующих сайты редактирования. Эти структуры, которые могут охватывать сотни нуклеотидов, сохраняются в геноме колеоида вместе с самими сайтами редактирования. Команда сообщила, что частота генетических мутаций в этих фланговых регионах сильно снижена.
«Вывод здесь состоит в том, что для того, чтобы сохранить эту гибкость в редактировании РНК, колеоидам пришлось отказаться от способности эволюционировать в окружающих регионах - много», - говорит Розенталь.«Мутация обычно считается валютой естественного отбора, и эти животные подавляют ее, чтобы поддерживать гибкость перекодирования на уровне РНК».
Розенталь и его коллеги из MBL в настоящее время разрабатывают генетически поддающиеся моделирующие системы головоногих для изучения механизмов и функциональных последствий их плодовитого редактирования РНК. «Когда они его включают и под каким влиянием окружающей среды? Это может быть что-то такое простое, как изменение температуры, или такое сложное, как опыт, форма памяти», - говорит он.