章魚藐視遺傳「中心法則」

2020-12-08 中國科學院

頭足類動物具有強大的RNA編輯能力 圖片來源：美國國家地理新聞網

　　章魚、魷魚和烏賊經常並不嚴格地遵循其DNA中的遺傳指令，相反，它們利用酶清除RNA中的特定鹼基A（腺苷），並且利用一種不同的鹼基I（肌苷）替代它們。大多數動物很少使用這種被稱作RNA編輯的過程重新編碼蛋白，但章魚等頭足類動物在超過半數的轉錄基因中編輯RNA。在一項新研究中，當研究人員定量和描述頭足類動物的這種RNA編輯程度時，發現這種遺傳策略深刻地限制了頭足類動物基因組的進化。相關研究結果發表在近日出版的《細胞》期刊上。

　　之前，科學家已發現章魚利用RNA編輯快速適應溫度變化，而且魷魚神經元中的絕大多數RNA轉錄副本含有這些編輯。而在這項新研究中，研究人員希望發現這些編輯過程如何在頭足類動物譜系中進化出來，以及如何影響這些動物基因組進化。

　　實際上，脊椎動物細胞也能發生RNA編輯，但很少使用。人類有2萬個基因，僅幾十個RNA編輯位點可編碼功能性蛋白。研究人員估計，魷魚也有大約2萬個基因，但是至少有6萬個活性RNA編輯位點。

　　該論文共同通信作者、以色列特拉維夫大學生物物理學家Eli Eisenberg說，「基本上，這是一種製造並不編碼DNA中的蛋白質的方法。它們並不存在於基因組序列中。對這些頭足類動物而言，這並不是一種例外，而是一種規則。這是大多數蛋白發生編輯的規則。」

　　事實上，RNA編輯如此罕見以至於它並不被認為是遺傳學的「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實驗室頭足類動物神經生物學家Joshua Rosenthal表示，「自從沃森與克裡克發現遺傳信息儲存在DNA中以來，我們的看法就是所有的信息儲存在DNA中，而且它忠實地被複製到另一種分子（即RNA），隨後經翻譯後產生發揮功能的蛋白。人們通常認為這是一種非常忠實的過程。但魷魚中的RNA並不總是這樣，而且事實上，這種有機體進化出一種強大的方法操縱RNA中的信息。」

　　針對不同頭足類動物開展的分析揭示出這種RNA編輯模式存在於兩種章魚物種、常見的墨魚和一種魷魚物種中，它們都屬於頭足綱中的鞘亞綱，並以具有複雜的捕食行為和社會行為而為人所知。然而，當研究人員在與章魚親緣關係較遠的鸚鵡螺中檢查RNA編輯的跡象時，他們也發現了更低水平的RNA編輯。為了進行比較，他們還發現RNA編輯水平在加州海兔屬軟體動物中也是較低的。

　　此外，廣泛的RNA編輯具有強健的進化結果。RNA編輯酶僅能作用於被一種大的RNA超結構包圍的鹼基對。如果靶點任何一側的鹼基發生突變，那麼有機體就可能喪失編輯該靶標的能力。而且，研究人員還發現，章魚和魷魚等並不能承受在其RNA可編輯的基因中發生的DNA突變，因此它們為了選擇RNA編輯，放棄了基因組DNA經常發生突變帶來的益處。

　　「我們通常利用它是否能解答一些挑戰來考慮進化——為何RNA重編碼不被使用？」 Eisenberg說，「如今，我們有一個例子說明當大量地使用RNA編輯時會發生什麼。我們知道這存在代價。代價就是延緩基因組進化。頭足類動物很可能選擇RNA編輯而不是基因組進化，而且脊椎動物可能具有其他的選擇：它們偏好基因組進化而不是RNA編輯。」

　　鑑於很多頭足類動物對編碼關鍵的神經蛋白的RNA進行大量編輯，研究人員還想知道RNA編輯能否導致章魚和同類具有非凡的智力。例如，章魚不僅在捕食時狡猾無比，而且它們在逃避刺耳聲音時也足夠聰明。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，以及通過觀察進行學習。

　　目前，研究人員正用一種章魚動物模型研究RNA編輯是否在頭足類動物行為中發揮著至關重要的作用。針對RNA編輯在行為中發揮的作用開展的實驗將需要章魚在實驗室中生長良好，而且能對它們進行基因操縱。Rosenthal說，「RNA編輯是一種優雅的系統，能給遺傳信息添加靈活性，但是找出它何時和如何被使用才是一項真正的挑戰。」

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