章魚、魷魚和烏賊經(jīng)常并不嚴(yán)格地遵循其DNA中的遺傳指令，相反，它們利用酶清除RNA中的特定堿基A（腺苷），并且利用一種不同的堿基I（肌苷）替代它們。大多數(shù)動(dòng)物很少使用這種被稱作RNA編輯的過程重新編碼蛋白，但章魚等頭足類動(dòng)物在一半以上的轉(zhuǎn)錄基因中編輯RNA。在一項(xiàng)新研究中，當(dāng)研究人員定量和描述頭足類動(dòng)物的這種RNA編輯程度時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種遺傳策略深刻地限制了頭足類動(dòng)物基因組的進(jìn)化。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近日出版的《細(xì)胞》期刊上。
之前，科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)章魚利用RNA編輯快速地適應(yīng)溫度變化，而且魷魚神經(jīng)元中的絕大多數(shù)RNA轉(zhuǎn)錄本含有這些編輯。而在這項(xiàng)新研究中，研究人員希望發(fā)現(xiàn)這些編輯過程在頭足類動(dòng)物譜系中如何進(jìn)化出來，以及如何影響這些動(dòng)物基因組進(jìn)化。
實(shí)際上，脊椎動(dòng)物細(xì)胞也能發(fā)生RNA編輯，但很少使用。人類有2萬個(gè)基因，但僅幾十個(gè)RNA編輯位點(diǎn)可能編碼功能性蛋白。研究人員估計(jì)，魷魚也有大約2萬個(gè)基因，但是至少有6萬個(gè)活性RNA編輯位點(diǎn)。
論文共同通信作者、以色列特拉維夫大學(xué)生物物理學(xué)家Eli Eisenberg說，“基本上，這是一種制造并不編碼DNA中的蛋白質(zhì)。它們并不存在于基因組序列中。對(duì)這些頭足類動(dòng)物而言，這并不是一種例外，而是一種規(guī)則。這是大多數(shù)蛋白發(fā)生編輯的規(guī)則?！?/p>
事實(shí)上，RNA編輯如此罕見以至于它并不被認(rèn)為是遺傳學(xué)的“中心法則”的一部分。論文共同通信作者、美國伍茲霍爾海洋生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室頭足類動(dòng)物神經(jīng)生物學(xué)家Joshua Rosenthal表示，“自從沃森與克里克發(fā)現(xiàn)遺傳信息儲(chǔ)存在DNA中以來，我們的看法就是所有的信息儲(chǔ)存在DNA中，而且它忠實(shí)地被復(fù)制到另一種分子（即RNA），隨后經(jīng)翻譯后產(chǎn)生發(fā)揮功能的蛋白。人們通常認(rèn)為這是一種非常忠實(shí)的過程。但魷魚中的RNA并不總是這樣，而且事實(shí)上，這種有機(jī)體進(jìn)化出一種強(qiáng)大的方法操縱RNA中的信息?！?/p>
針對(duì)不同的頭足類動(dòng)物開展的分析，揭示出這種RNA編輯模式存在于兩種章魚物種、常見的墨魚和一種魷魚物種中，它們都屬于頭足綱中的鞘亞綱，并以具有復(fù)雜的捕食行為和社會(huì)行為而為人所知。然而，當(dāng)研究人員在與章魚親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的鸚鵡螺中檢查了RNA編輯的跡象時(shí)，他們也發(fā)現(xiàn)了更低水平的RNA編輯。為了進(jìn)行比較，他們還發(fā)現(xiàn)RNA編輯水平在加州海兔屬軟體動(dòng)物中也是較低的。
此外，廣泛的RNA編輯具有強(qiáng)健的進(jìn)化結(jié)果。RNA編輯酶僅能作用于被一種大的RNA超結(jié)構(gòu)包圍的堿基對(duì)。如果靶點(diǎn)任何一側(cè)的堿基發(fā)生突變，那么有機(jī)體就可能喪失編輯該靶標(biāo)的能力。而且，研究人員還發(fā)現(xiàn)，章魚和魷魚等并不能承受在其RNA可編輯的基因中發(fā)生的DNA突變，因此它們?yōu)榱诉x擇RNA編輯，放棄基因組DNA經(jīng)常發(fā)生突變帶來的益處。
“我們通常利用它是否能解答一些挑戰(zhàn)以考慮進(jìn)化——為何RNA重編碼不被使用？” Eisenberg說，“如今，我們有一個(gè)例子說明當(dāng)大量地使用RNA編輯時(shí)會(huì)發(fā)生什么。我們知道這存在代價(jià)。代價(jià)就是延緩基因組進(jìn)化。頭足類動(dòng)物很可能選擇RNA編輯而不是基因組進(jìn)化，而且脊椎動(dòng)物可能具有其他的選擇：它們偏好基因組進(jìn)化而不是RNA編輯?！?/p>
鑒于很多頭足類動(dòng)物對(duì)編碼關(guān)鍵的神經(jīng)蛋白的RNA進(jìn)行大量編輯，研究人員還想知道RNA編輯能否導(dǎo)致章魚和同類具有非凡的智力。例如，章魚不僅在捕食時(shí)狡猾無比，而且它們也在逃避刺耳聲音時(shí)也足夠聰明。它們通過噴射墨汁自我躲藏、改變皮膚顏色給同伴傳遞信號(hào)，以及通過觀察進(jìn)行學(xué)習(xí)。
目前，研究人員正用一種章魚動(dòng)物模型研究RNA編輯是否在頭足類動(dòng)物行為中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。針對(duì)RNA編輯在行為中發(fā)揮的作用開展的實(shí)驗(yàn)將需要章魚在實(shí)驗(yàn)室中生長良好，而且能對(duì)它們進(jìn)行基因操縱。Rosenthal說，“RNA編輯是一種優(yōu)雅的系統(tǒng)，能給遺傳信息添加靈活性，但是找出它何時(shí)和如何被使用才是一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)?！?nbsp;
