章鱼使用RNA编辑通过改变蛋白质功能来快速响应温度变化

每个细胞都带有一组编码在其DNA中的有限指令。然而，生活是不可预测的，当环境发生变化时，动物需要灵活适应。由海洋生物实验室(MBL)的约书亚·罗森塔尔(JoshuaRosenthal)和特拉维夫大学的伊莱·艾森伯格(EliEisenberg)领导的新研究表明，章鱼及其近亲通过修补它们的RNA(一种传递DNA方向的中间分子)来优雅地适应环境挑战。

在6月8日发表在《细胞》杂志上的一项研究中，Rosenthal及其同事记录了当章鱼、乌贼和墨鱼(被称为鞘状头足类动物)适应冷水时RNA编辑的巨大提升。在冷却章鱼的水箱后，该团队发现动物神经系统中超过13,000个RNA位点的蛋白质改变活动增加。在其中两个案例中，他们研究了交换RNA分子代码的单个字母如何改变神经元产生的蛋白质的功能。

MBL的资深科学家罗森塔尔表示，通过RNA编辑，头足类动物似乎找到了一种调整自身生理机能的独特方式。

他说：“我们习惯于认为所有生物从出生起就被预先设定了一套特定的指令。”“正如我们在头足类动物中展示的那样，环境可以影响遗传信息的想法是一个新概念。”

头足类动物中大规模RNA编辑之谜

细胞的分子机制将DNA中编码的指令转录为RNA，其中一些继续制造蛋白质。研究人员了解到，细胞有能力将四字母遗传密码中的一个成员腺苷交换为替代分子肌苷，其行为类似于鸟苷，是最初的四种分子之一。虽然同样的过程发生在人类和大多数其他动物身上，但它很少影响与产生蛋白质有关的RNA。

2015年，Rosenthal和他的同事表明，鱿鱼大规模使用了这种改变蛋白质的RNA编辑(称为A-to-I)，后来在章鱼身上也显示了同样的情况。

“对我们来说，一个大问题是，‘他们用它做什么?’”罗森塔尔说。

由于编辑只是暂时改变RNA，研究人员怀疑这些动物利用它来适应环境。对于当前的研究，他们专注于神经系统内温度这一因素的影响。温度很重要，因为它控制着酶的活性，而酶又会驱动对所有生理过程至关重要的化学反应。

与其他头足类动物一样，他们研究的加利福尼亚双斑章鱼(Octopusbimaculoides)不能通过自身产生热量来抵消伴随潮汐、水深变化和季节变化的温度下降。

在使章鱼适应其自然范围的暖端(22°C/72°F)和凉爽端(约13°C/55°F)的温度后，研究人员检查了它们的RNA。在其分子代码中，他们跟踪了已知发生编辑的位置的活动。在冷水箱中的章鱼中，他们发现在13,285个位点显着增加，其中一个字母的变化改变了蛋白质。对于那些在温暖的水箱中的人，他们在550个这样的地方发现了上升。

后续实验表明，RNA编辑可能有助于动物适应逐渐变化，但无法适应与例如从较温暖的地表水下行至较冷的深处相关的快速变化。

为了证实实验室的工作，宾夕法尼亚州圣弗朗西斯大学的助理教授马修伯克在冬季和夏末记录了章鱼巢穴附近的温度，然后收集了这些动物。

在密歇根大学和德克萨斯理工大学合作者的帮助下，研究小组研究了RNA编辑如何调整对章鱼神经功能至关重要的两种蛋白质的功能。第一种蛋白质，kinesin-1，沿着神经元的长分支运送货物。他们发现，RNA编辑改变了这种分子的移动速度。同样，它改变了一种叫做突触结合蛋白的蛋白质的反应能力，这种蛋白质可以促进神经元之间的交流。

头足类动物复杂性的秘密之一?

罗森塔尔怀疑，头足类动物很可能利用这种形式的基因修补来以多种方式适应变化，而不仅仅是适应冷水。“我认为这只是冰山一角，”他谈到这项研究的结果时说。

它可以部分解释这些生物体如何实现复杂的行为。例如，章鱼可以解决机械难题，并模仿颜色和纹理来伪装自己。像这样的能力需要由一组复杂的蛋白质组成的神经系统。

“他们使用什么机制来创造这种复杂性?我相信RNA编辑就是其中之一，”罗森塔尔说。