Nature:章魚為何「超凡脫俗」?

2015年8月17日 訊 /生物谷BIOON/-- 章魚是世界上最奇怪的生物之一。三個心臟，八個抓握手臂並內襯吸盤，每個觸手有獨自神經元豐富的「大腦」，皮膚能迅速改變顏色和紋理，精妙偽裝和怪異智慧，章魚的確是地球上獨一無二的生物。根據最新Nature期刊的一篇研究表示，章魚有一個令人吃驚的大而複雜的基因組。芝加哥大學，加州大學伯克利分校，德國海德堡大學和日本衝繩科學技術研究所的科學家們聯合參與了這項研究。他們針對十二種不同類型的章魚組織的進行了基因譜的檢測。這是第一次對章魚進行基因組測序的研究，解釋了一個單純的軟體動物如何演變成一種超凡脫俗的存在，為生物的獨特能力的解釋提供了線索。

以色列耶路撒冷大學的神經生物學家Benny Hochner有20年的章魚神經生理研究經驗，他評價這篇研究時候說：「了解基因組是十分重要的，因為它讓我們認識到章魚如何進化出複雜的認知能力。」

研究人員希望了解頭足類—一種自由浮動的軟體動物，是如何產生這種極其聰明（在非常複雜的迷宮能自由導航或打開裝滿美味螃蟹的罐子）的生物。令人吃驚的是，他們發現章魚基因組竟然堪比人類，並且含有很多的蛋白質編碼基因—約3.3萬個，而我們人類的蛋白質編碼基因少於2.5萬。

這些特性讓研究人員考慮是否章魚有全基因組倍增的現象（即遺傳物質加倍，在進化中出現的性能）。但是，他們沒有找到章魚全基因組複製任何證據。仔細分析後，研究小組發現基因組的增長集中在兩個基因家族的急劇擴張與數百個新基因，重複序列的引入。

其中最顯著的基因組是原鈣粘附蛋白protocadherins，作用是調節神經元的發展和它們之間的短距離相互作用。章魚有168這種基因—超過哺乳動物的兩倍。這種情況下的生物一般有異常大的大腦和奇怪的器官解剖結構。章魚的5億神經元（是小鼠的三倍）中，三分之二從其頭部分灑樣分布到觸手，並沒有如同脊椎動物那樣的長軸突神經纖維。獨立執行計算的章魚觸手，甚至在被肢解後依然能執行認知功能（即使切斷後，觸手仍然會退縮，脫離危險）。這種特殊之處使得神經生物學家選擇用章魚作為神經學研究對象，或者用在開發柔軟，靈活的機器人。

參與發育的其中一個基因家族——鋅指轉錄因子（zinc-finger transcription factors），也是章魚基因組中的一個大家族。它是在動物體內發現的第二大基因家族，包含大約1800個基因，第一大的是大象的2000個嗅覺受體基因。

分析還發現了上百個其他基因為章魚所特有的，並在特定組織高表達。例如它的吸盤中，表達一種神經的基因，類似於編碼神經遞質乙醯膽鹼受體的基因。該基因似乎能賦予章魚的吸盤非凡的品嘗能力。科學家們還確認了六個蛋白質編碼基因稱為reflectins，表達在章魚的皮膚。這些蛋白改變章魚身上的光路反射，造成不同的顏色外觀。這也是章魚偽裝自己的諸多方法之一。

另一個發現暗示章魚智力的基礎。基因組中包含一個特殊的系統，可以讓組織迅速修飾蛋白質以改變其功能。電生理學家預測，這可以解釋章魚如何調適它們的神經網絡性能，保證這種非凡的學習和記憶能力。

章魚在軟體動物門的地位說明了它壯觀的進化。Hochner表示，簡單的軟體動物，比如說蚌，只是坐在泥裡過濾食物。然後我們也有「牛氣」的章魚，去除了它的外殼，並在水中進化成具有最複雜行為的軟體動物。（生物谷Bioon.com）

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生物谷推薦英文原文報導：

Nature: Octopus genome holds clues to uncanny intelligence

Science：Octopus genome surprises and teases

相關文獻：

DOI:10.1038/nature14863

The octopus genome and the evolution of cephalopod neural and morphological novelties
Caroline B. Albertin, Oleg Simakov, Therese Mitros, Z. Yan Wang, Judit R. Pungor, Eric Edsinger-Gonzales, Sydney Brenner, Clifton W. Ragsdale& Daniel S. Rokhsar

Coleoid cephalopods (octopus, squid and cuttlefish) are active, resourceful predators with a rich behavioural repertoire1. They have the largest nervous systems among the invertebrates2 and present other striking morphological innovations including camera-like eyes, prehensile arms, a highly derived early embryogenesis and a remarkably sophisticated adaptive colouration system1, 3. To investigate the molecular bases of cephalopod brain and body innovations, we sequenced the genome and multiple transcriptomes of the California two-spot octopus, Octopus bimaculoides. We found no evidence for hypothesized whole-genome duplications in the octopus lineage4, 5, 6. The core developmental and neuronal gene repertoire of the octopus is broadly similar to that found across invertebrate bilaterians, except for massive expansions in two gene families previously thought to be uniquely enlarged in vertebrates: the protocadherins, which regulate neuronal development, and the C2H2 superfamily of zinc-finger transcription factors. Extensive messenger RNA editing generates transcript and protein diversity in genes involved in neural excitability, as previously described7, as well as in genes participating in a broad range of other cellular functions. We identified hundreds of cephalopod-specific genes, many of which showed elevated expression levels in such specialized structures as the skin, the suckers and the nervous system. Finally, we found evidence for large-scale genomic rearrangements that are closely associated with transposable element expansions. Our analysis suggests that substantial expansion of a handful of gene families, along with extensive remodelling of genome linkage and repetitive content, played a critical role in the evolution of cephalopod morphological innovations, including their large and complex nervous systems.