Оказалось, что осьминоги умеют «на ходу» редактировать собственный геном за рекордные сроки
Это необычная стратегия, но она кажется эффективной, и ученые считают, что во всем мире головоногих она может быть распространена весьма широко.
«Обычно мы думаем, что наша генетическая информация фиксирована, но окружающая среда может влиять на то, как вы кодируете белки, и у головоногих это происходит в огромных масштабах», — рассказал морской биолог Джошуа Розенталь из Лаборатории морской биологии Чикагского университета и старший автор новых исследований.
«Перекодирование РНК дает организмам возможность экспрессировать разнообразные белки, когда и где они выбирают. У головоногих большая часть перекодирования приходится на белки, которые действительно важны для функционирования нервной системы, поэтому возникает естественный вопрос: используют ли они это для приспособиться к изменениям в их физической среде?», — добавил он.
Наши собственные генетические инструкции по выживанию, кстати, тоже могут меняться, но обычно это происходит медленно, от поколения к поколению. Изменения в генетическом коде определяют окончательную форму и функцию отдельных белков, из которых состоят наши тела, включая системы и структурные опоры внутри нашего мозга.
Однако ДНК не производит белки напрямую. Эти химически закодированные инструкции остаются в ядре ваших клеток, выдавая шаблоны через промежуточную молекулу, называемую матричной РНК (или мРНК), которая перемещается из ядра в окружающую слизь, чтобы питаться крошечными машинами по построению белка.
Для большинства организмов процесс довольно прост: как только матрица выпущена, в РНК больше не происходит никаких изменений. Однако у головоногих все немного иначе.
Улучшение генома
В 2015 году ученые обнаружили, что кальмары, каракатицы и осьминоги могут модифицировать РНК после того, как она покинула ядро, редактируя последовательность «на лету». Это обеспечивает быструю физиологическую реакцию на... что?
Некоторые исследователи полагали, что данное обстоятельство может быть причиной того, что головоногие моллюски так странно, очаровательно умны без видимых на то причин. Адаптация к временным изменениям окружающей среды казалась правдоподобным объяснением. Морские организмы подвержены воздействию широкого диапазона температур, а у осьминогов отсутствует способность к активной терморегуляции. Редактирование РНК давало бы возможность изменяться и изменяться снова, как диктуют условия, без каких-либо долгосрочных «редакторских правок».
Как изменяются гены
Итак, группа исследователей под руководством морского биолога Мэтью Бирка из Морской биологической лаборатории и Университета Святого Франциска решила проверить это предположение.
Объектами их исследований стали калифорнийские двухточечные осьминоги (Octopus bimaculoides). Их полный геном был впервые секвенирован в 2005 году, что сделало это животное полезным для понимания генетических изменений.
Ученые акклиматизировали этих осьминогов к теплой воде с температурой 22 градуса по Цельсию или к более холодной воде с температурой 13 градусов по Цельсию, а затем сравнили их генетическую информацию с геномом из базы данных. Они специально изучили более 60 000 известных «сайтов» (т.е. точек) редактирования, и обнаружили нечто поразительное.
«Температурно-зависимое редактирование произошло примерно на одной трети наших сайтов — более чем в 20 000 отдельных мест — так что это в самом деле глобальное явление. Однако процесс не однороден: редактируемые белки, как правило, являются белками нервных клеток, и почти все участки, чувствительные к температуре, более сильно редактируются при похолодании воды», — заявил физик Эли Айзенберг из Тель-Авивского университета, со-старший автор бумаги.
Таким образом, редактирование, по-видимому, было ответом на акклиматизацию к холодной, а не к теплой воде, воздействуя на нейронные белки, которые особенно чувствительны к низким температурам. А тесты структурных белков, важных для функции нервной системы осьминога — кинезина и синаптотагмина — показали, что происходящие изменения повлияют и на их функцию.
Любопытные нюансы
Возможно, то, что наблюдала команда, было результатом пребывания в лаборатории, поэтому они ловили диких калифорнийских двухточечных осьминогов и двухточечных осьминогов Веррилла (Octopus bimaculatus) летом и зимой, а также проверяли их геномы. У этих осьминогов были схожие модели редактирования РНК, которые предполагали, что они оптимизировали свои функции для текущих температурных условий.
Команда также проверила, насколько быстро происходят изменения. Ученые подняли температуру в аквариуме с осьминогом с 14 градусов по Цельсию до 24 градусов по Цельсию или наоборот, повышая или понижая температуру с шагом 0,5 градуса в течение 20 часов. Они проверили степень редактирования РНК у каждого осьминога непосредственно перед началом изменения температуры, сразу после и через четыре дня.
Исследователи обнаружили, что это происходит очень быстро.
«Мы понятия не имели, как быстро это может произойти: на это могли уйти как недели, так и часы. Значительные изменения дали о себе знать менее чем за день, а в течение четырех дней они вышли на совершенно новый устойчивый уровень», — пишут ученые.
Эти данные свидетельствуют о том, что по крайней мере одна функция редактирования РНК головоногих моллюсков — это быстрый ответ на условия, которые в противном случае могли бы быть опасными для животных. Существуют также другие переменные среды, которые могут вызвать реакцию. К ним относятся низкий уровень кислорода, загрязнение окружающей среды и изменение социальных условий.
Исследователи подозревают, что редактирование РНК является довольно распространенной стратегией среди осьминогов и кальмаров, позволяющей им оставаться в живых при изменении окружающей среды, и планируют более подробно изучить, как она используется.