Cell:章魚等頭足類動物藐視遺傳學「中心法則」

2020-12-05 生物谷

2017年4月7日/生物谷BIOON/---作為生物中的核酸，DNA是由鹼基A、T、C和G組成的，而RNA是由鹼基A、U、C和G組成的。DNA經轉錄後產生信使RNA（mRNA）。mRNA經翻譯後產生蛋白。然而，同屬於頭足類動物的章魚、魷魚和墨魚經常並不嚴格地遵循它們DNA中的遺傳指令。相反，它們利用酶清除mRNA中的特定鹼基A（adenosine，腺苷），並且利用一種不同的鹼基I（Inosine, 肌苷）替代它們。這種被稱作RNA編輯的過程在大多數動物中很少被用來重新編碼蛋白，但是章魚和它們的同類在它們的一半以上的發生轉錄的基因中編輯RNA。在一項新的研究中，當研究人員開展實驗對頭足類動物中的這種RNA編輯發生的程度進行定量和描述時，他們發現證據證實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2017年4月6日的

Cell

期刊上，論文標題為「Trade-off between Transcriptome Plasticity and Genome Evolution in Cephalopods」。

研究人員已發現章魚利用RNA編輯快速地適應溫度變化（

Science

, 17 Feb 2012, doi:10.1126/science.1212795），而且魷魚神經元中的絕大多數RNA轉錄本含有這些編輯（

eLife

, doi:10.7554/eLife.05198）。在這項新的研究中，研究人員希望發現這些編輯如何平常，它們在頭足類動物譜系中如何進化出來，而且這種非凡的編輯能力如何影響頭足類動物基因組的進化。

脊椎動物細胞能夠發生RNA編輯，但是我們很少使用它。人類有2萬個基因，但僅幾十個保守的RNA編輯位點可能編碼功能性蛋白。根據這項研究的估計，魷魚也有大約2萬個基因，但是至少有1.1萬個活性的RNA編輯位點影響著蛋白質組，而且它們的大多數是保守性的。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在DNA中的蛋白的機制。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。這是一種規則。這種規則就是大多數蛋白發生編輯。」

事實上，RNA編輯是如此罕見以至於它並不認為是遺傳學中的「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解釋道，「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，而且它忠實地複製到另一種分子（即RNA），隨後它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。魷魚中的RNA並不總是這樣的，而且事實上，這種有機體進化出一種強大的方法來操縱RNA中的信息。」

針對不同的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蛸亞綱。頭足類動物以具有複雜的捕食行為和社會行為而為人所知。然而，當這些研究人員在與章魚親緣關係較遠的鸚鵡螺（chambered nautilus）中檢查了RNA編輯的跡象時，他們發現更低水平的RNA編輯。為了作為比較，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。

廣泛的RNA編輯經證實具有強健的進化結果。RNA編輯酶僅能夠作用於被一種大的RNA超結構包圍的鹼基對。如果編輯靶標任何一側上的鹼基發生突變，那麼有機體就可能喪失編輯這種靶標的能力。這些研究人員發現章魚和魷魚等狂熱的RNA重新編碼高手並不能夠承受得起在它們的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，放棄基因組DNA經常發生突變帶來的益處。

大多數有機體廣泛地使用RNA剪接來讓它們的蛋白質組多樣化，不過相比於RNA編輯，RNA剪接是它們的DNA靈活性的優先選擇。 Eisenberg說，「我們通常利用它是否能夠解答一些挑戰來考慮進化---為何RNA重編碼不被使用？如今，我們有一個例子來說明當大量地使用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，這些研究人員想知道RNA編輯是否可能導致章魚和它們的同類具有非凡的智力。章魚不僅在捕食時足夠聰明，而且它們也在逃避刺耳聲音時足夠聰明。它們通過噴射墨汁自我躲藏，通過改變它們的皮膚顏色給它們的同伴傳遞信號，而且通過觀察進行學習。

研究人員正在一種章魚動物模型中研究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，而且能夠對它們進行基因操縱。

Rosenthal說，「RNA編輯是一種優雅的系統來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。」（生物谷 Bioon.com）

本文系生物谷原創編譯整理，歡迎個人轉發，網站轉載請註明來源「生物谷」，商業授權請聯繫我們。更多資訊請下載生物谷 app.原始出處：Noa Liscovitch-Brauer, Shahar Alon, Hagit T. Porath et al. Trade-off between Transcriptome Plasticity and Genome Evolution in Cephalopods. Cell, 6 April 2017, 169(2):191-202, doi:10.1016/j.cell.2017.03.025

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