章魚等頭足類動(dòng)物藐視遺傳學(xué)“中心法則”

作為生物中的核酸，DNA是由堿基A、T、C和G組成的，而RNA是由堿基A、U、C和G組成的。DNA經(jīng)轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生信使RNA（mRNA）。mRNA經(jīng)翻譯后產(chǎn)生蛋白。然而，同屬于頭足類動(dòng)物的章魚、魷魚和墨魚經(jīng)常并不嚴(yán)格地遵循它們DNA中的遺傳指令。相反，它們利用酶清除mRNA中的特定堿基A（adenosine，腺苷），并且利用一種不同的堿基I（Inosine, *）替代它們。這種被稱作RNA編輯的過(guò)程在大多數(shù)動(dòng)物中很少被用來(lái)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(fā)生轉(zhuǎn)錄的基因中編輯RNA。在一項(xiàng)新的研究中，當(dāng)研究人員開展實(shí)驗(yàn)對(duì)頭足類動(dòng)物中的這種RNA編輯發(fā)生的程度進(jìn)行定量和描述時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)證據(jù)證實(shí)這種遺傳策略深刻地限制了頭足類動(dòng)物基因組的進(jìn)化。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年4月6日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Trade-off between Transcriptome Plasticity and Genome Evolution in Cephalopods”。

 研究人員已發(fā)現(xiàn)章魚利用RNA編輯快速地適應(yīng)溫度變化（Science, 17 Feb 2012, doi:10.1126/science.1212795），而且魷魚神經(jīng)元中的絕大多數(shù)RNA轉(zhuǎn)錄本含有這些編輯（eLife, doi:10.7554/eLife.05198）。在這項(xiàng)新的研究中，研究人員希望發(fā)現(xiàn)這些編輯如何平常，它們?cè)陬^足類動(dòng)物譜系中如何進(jìn)化出來(lái)，而且這種非凡的編輯能力如何影響頭足類動(dòng)物基因組的進(jìn)化。

 脊椎動(dòng)物細(xì)胞能夠發(fā)生RNA編輯，但是我們很少使用它。人類有2萬(wàn)個(gè)基因，但僅幾十個(gè)保守的RNA編輯位點(diǎn)可能編碼功能性蛋白。根據(jù)這項(xiàng)研究的估計(jì)，魷魚也有大約2萬(wàn)個(gè)基因，但是至少有1.1萬(wàn)個(gè)活性的RNA編輯位點(diǎn)影響著蛋白質(zhì)組，而且它們的大多數(shù)是保守性的。論文共同通信作者、以色列特拉維夫大學(xué)生物物理學(xué)家Eli Eisenberg說(shuō)，“基本上，這是一種制造并不編碼在DNA中的蛋白的機(jī)制。它們并不存在于基因組序列中。對(duì)這些頭足類動(dòng)物而言，這并不是一種例外。這是一種規(guī)則。這種規(guī)則就是大多數(shù)蛋白發(fā)生編輯。”

 事實(shí)上，RNA編輯是如此罕見(jiàn)以至于它并不認(rèn)為是遺傳學(xué)中的“中心法則”的一部分。論文共同通信作者、美國(guó)伍茲霍爾海洋生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室頭足類動(dòng)物神經(jīng)生物學(xué)家Joshua Rosenthal解釋道，“自從沃森與克里克發(fā)現(xiàn)遺傳信息儲(chǔ)存在DNA中以來(lái)，我們的看法就是所有的信息儲(chǔ)存在DNA中，而且它忠實(shí)地復(fù)制到另一種分子（即RNA），隨后它經(jīng)翻譯后產(chǎn)生發(fā)揮功能的蛋白。人們通常認(rèn)為這是一種非常忠實(shí)的過(guò)程。魷魚中的RNA并不總是這樣的，而且事實(shí)上，這種有機(jī)體進(jìn)化出一種強(qiáng)大的方法來(lái)操縱RNA中的信息。”

 針對(duì)不同的頭足類動(dòng)物開展的分析揭示出這種RNA編輯模式存在于兩種章魚物種、常見(jiàn)的墨魚和一種魷魚物種中，它們都屬于頭足綱中的蛸亞綱。頭足類動(dòng)物以具有復(fù)雜的捕食行為和社會(huì)行為而為人所知。然而，當(dāng)這些研究人員在與章魚親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的鸚鵡螺（chambered nautilus）中檢查了RNA編輯的跡象時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)更低水平的RNA編輯。為了作為比較，他們還發(fā)現(xiàn)RNA編輯水平在加州海兔屬軟體動(dòng)物中也是較低的。

 廣泛的RNA編輯經(jīng)證實(shí)具有強(qiáng)健的進(jìn)化結(jié)果。RNA編輯酶僅能夠作用于被一種大的RNA超結(jié)構(gòu)包圍的堿基對(duì)。如果編輯靶標(biāo)任何一側(cè)上的堿基發(fā)生突變，那么有機(jī)體就可能喪失編輯這種靶標(biāo)的能力。這些研究人員發(fā)現(xiàn)章魚和魷魚等狂熱的RNA重新編碼高手并不能夠承受得起在它們的RNA可編輯的基因中發(fā)生的DNA突變，因此它們?yōu)榱诉x擇RNA編輯，放棄基因組DNA經(jīng)常發(fā)生突變帶來(lái)的益處。

 大多數(shù)有機(jī)體廣泛地使用RNA剪接來(lái)讓它們的蛋白質(zhì)組多樣化，不過(guò)相比于RNA編輯，RNA剪接是它們的DNA靈活性的優(yōu)先選擇。 Eisenberg說(shuō)，“我們通常利用它是否能夠解答一些挑戰(zhàn)來(lái)考慮進(jìn)化---為何RNA重編碼不被使用？如今，我們有一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明當(dāng)大量地使用RNA編輯時(shí)，會(huì)發(fā)生什么。我們知道這存在代價(jià)。代價(jià)就是延緩基因組進(jìn)化... 頭足類動(dòng)物很可能選擇RNA編輯而不是基因組進(jìn)化，而且脊椎動(dòng)物可能具有其他的選擇---它們偏好基因組進(jìn)化而不是RNA編輯。”

 鑒于很多頭足類動(dòng)物對(duì)編碼關(guān)鍵的神經(jīng)蛋白的RNA進(jìn)行大量編輯，這些研究人員想知道RNA編輯是否可能導(dǎo)致章魚和它們的同類具有非凡的智力。章魚不僅在捕食時(shí)足夠聰明，而且它們也在逃避刺耳聲音時(shí)足夠聰明。它們通過(guò)噴射墨汁自我躲藏，通過(guò)改變它們的皮膚顏色給它們的同伴傳遞信號(hào)，而且通過(guò)觀察進(jìn)行學(xué)習(xí)。

 研究人員正在一種章魚動(dòng)物模型中研究RNA編輯是否在頭足類動(dòng)物行為中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。針對(duì)RNA編輯在行為中發(fā)揮的作用開展的實(shí)驗(yàn)將需要章魚在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)良好，而且能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行基因操縱。

Rosenthal說(shuō)，“RNA編輯是一種優(yōu)雅的系統(tǒng)來(lái)給遺傳信息添加靈活性，但是找出它何時(shí)和如何被使用才是一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)。”