章鱼“聪明”之谜:牺牲基因换取 RNA 编辑

发表于 讨论求助 2020-04-04 14:41:08

图片来源:电影《海底总动员》

章鱼、鱿鱼和乌贼以能够完成复杂的行为而闻名,比如打开水族箱的盖子逃走或是迅速改变皮肤伪装色以躲避捕食者。一项最新研究显示,它们的神经系统在进化至如此复杂的过程中包含了一种与众不同的机制:牺牲基因组 DNA 的进化来换取大量的 RNA 编辑。

这项研究由美国海洋生物实验室的乔舒亚·罗森塔尔、以色列特拉维夫大学的伍兹·霍尔、伊莱·艾森伯格和诺亚·利什科维奇 - 布劳尔领衔,研究报告已发表在本周出版的美国《细胞》(Cell)上。

该研究基于科学家此前的一项发现,即鱿鱼在 RNA 编码区——特别是神经系统的细胞内——呈现出异常高的编辑比率,从而使细胞能够制造出多样化的蛋白质。鱿鱼大脑中有 60% 以上的 RNA 转录体被重新编码,而人类或果蝇的 RNA 只有不到 1% 被编辑过。

在此次研究中,科学家在另外三种“聪明”的头足纲动物(两种章鱼和一种乌贼)体内也发现了同样高的 RNA 编辑水平,并且在这类被称为“鞘形亚纲”的头足纲动物体内找到了数以万计在进化中被保存下来的 RNA 编辑位点。他们发现,鞘形亚纲头足纲动物的神经系统内的编辑活动尤为活跃,对在神经元兴奋性和神经形态中发挥关键作用的蛋白质产生了影响。

他们发现,相比之下,较为原始的头足纲动物鹦鹉螺和软体动物海兔体内的 RNA 编辑水平要比鞘形亚纲头足纲动物低得多。罗森塔尔说:“这表明,较高的 RNA 编辑水平并不总是软体动物所特有的;它是鞘形亚纲头足纲动物的发明。”

哺乳动物体内只保存了很少的 RNA 编辑位点,而且这些 RNA 编辑位点并不被认为是自然选择的结果。罗森塔尔说:“(鞘形亚纲)头足纲动物体内有一些截然不同的活动,许多编辑事件被很好地保存下来,显示出清楚的自然选择的痕迹。”

科学家还发现,这类头足纲动物体内存在一种令人惊讶的交换行为,即牺牲基因组进化来换取更高的 RNA 编辑水平。最常见的 RNA 编辑形式是由 ADAR 酶来完成的,这个过程需要位于编辑位点侧面的大型结构(dsRNA)。这种结构可能包含数以百计的核苷酸,与编辑位点本身一起被保存在鞘形亚纲基因组内。研究团队在报告中说,这些编辑位点侧翼区的基因突变速率受到了严重抑制。

罗森塔尔说:“我们的结论是,为了保持这种 RNA 编辑的灵活性,鞘形亚纲头足纲动物不得不放弃编辑位点周围区域很大一部分进化能力。基因突变通常被认为是自然选择的手段,而这些动物压抑了基因突变以保持在 RNA 层面上进行编辑的灵活性。”

目前,罗森塔尔及其美国海洋生物实验室的同事正在制作善操控基因的头足纲动物模型系统,以研究它们的大量 RNA 编辑活动的机制和功能性结果。

原文检索:

Liscovitch-Brauer et al. Trade-off between transcriptome plasticity and genome evolution in cephalopods. Cell, 2017 DOI: 10.1016/j.cell.2017.03.025

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