Tym, co najbardziej kocham w nauce w ogóle, a w genetyce w szczególności, jest to, że nowe odkrycia wywracają do góry nogami wszystko, co myśleliśmy, że o czymś wiemy. Tak było w 1977 r., kiedy odkryto, że „interweniujące sekwencje DNA” – czyli „introny” – zakłócają geny kodujące białka.
Czasami odkrywamy nowe sposoby działania organizmów. Zmiana ekspresji genów – zestawu genów, które w określonych okolicznościach ulegają transkrypcji na mRNA, a następnie translacji na białka – to sposób, w jaki organizmy szybko reagują na wyzwanie. W przypadku ośmiornicy może to być nagły spadek temperatury wody, który spowalnia aktywność enzymów.
Jednak niektóre gatunki kontrolują reakcje genetyczne w inny sposób – poprzez edycję RNA. Zmiany w jednym z czterech typów zasad azotowych mRNA zmieniają kodowane białko w sposób, który zmienia jego funkcję.
W nowym raporcie opublikowanym w „Cell” Joshua Rosenthal z Marine Biological Laboratory w Woods' Hole i Eli Eisenberg z Uniwersytetu w Tel Awiwie opisują, w jaki sposób głowonogi – ośmiornice, kałamarnice i mątwy – zmieniają mRNA w sposób zmieniający enzymy. Ponieważ zmiany zachodzą w RNA, a nie w DNA, są one ulotne. „Przyzwyczailiśmy się myśleć, że wszystkie żywe istoty są zaprogramowane od urodzenia za pomocą określonego zestawu instrukcji. Pomysł, że środowisko może wpływać na informację genetyczną, jak wykazaliśmy u głowonogów, jest nową koncepcją” – powiedział Rosenthal.
W 2015 roku naukowcy odkryli, że edytowanych jest około 60 procent mRNA kałamarnicy długopłetwej, Doryteuthis pealeii. Kałamarnica jest klasycznym organizmem modelowym do badań układu nerwowego. Nowe badanie ujawnia to zjawisko u kalifornijskiej ośmiornicy dwumiejscowej.
Kiedy na pierwszych stronach gazet pojawia się temat „edycji genów”, zwykle dzieje się to w kontekście stosowania CRISPR i innych enzymów przecinających DNA. U głowonogów jest inaczej. Adeninę (A) w mRNA zastępuje się inozyną, zasadą, która oddziałuje z innymi tak, jakby zamiast tego była guaniną (G). Ta „edycja RNA A do I” może wprowadzić mutację jednozasadową, ale efemeryczną, ponieważ występuje w RNA. A jeśli wystąpi w białku w sposób zmieniający jego funkcję, zmiana wpływa na fenotyp – na przykład zmienia aktywność enzymu, która zwiększa przeżycie w trudnych warunkach.
Chociaż edycja od A do I zachodzi w genomach większości gatunków zwierząt, u głowonogów koncentruje się szczególnie na genach kodujących białka. „Dla nas głównym pytaniem było: ‘Do czego one tego używają?’” – zastanawiał się Rosenthal.
Być może za niektórymi aspektami złożonych zachowań głowonogów kryje się edycja RNA. Ponieważ RNA jest krótkotrwałe i zmiany nie utrzymują się, badacze skupili się na reakcji w czasie, na aklimatyzacji do zmieniającego się środowiska – temperatury. Ma to znaczenie, ponieważ temperatura reguluje aktywność enzymów, które z kolei napędzają reakcje chemiczne kluczowe dla wszystkich procesów fizjologicznych.
Podobnie jak inne głowonogi, badana przez nich kalifornijska ośmiornica dwumiejscowa (Octopus bimaculoides) nie jest w stanie wytwarzać własnego ciepła, aby przeciwdziałać spadkom temperatury towarzyszącym przypływom, zmianom głębokości wody i porom roku.
Zespół obserwował reakcje ośmiornic w zbiornikach w Morskim Laboratorium Biologicznym, a także zwierząt zebranych z nor ośmiornic na wolności. Zwierzęta żyjące w zbiornikach z zimną wodą (13 stopni C) wykazały wzrost edycji do 13 285 mRNA, których modyfikacje genów zmieniają funkcje kodowanych białek. Naukowcy piszą, że w rzeczywistości może to być niedoszacowanie, ponieważ skupili się na znanych miejscach edycji RNA, które wpływają na złożony układ nerwowy. Kiedy jednak ośmiornice przeniesiono do ciepłych zbiorników (22 stopnie C), liczba edytowanych transkryptów RNA spadła do zaledwie 550.
Aby uzupełnić prace laboratoryjne, Matthew Birk, obecnie na Uniwersytecie Saint Francis w Pensylwanii, rejestrował temperatury w pobliżu legowisk ośmiornic zimą i późnym latem, a następnie łapał zwierzęta i skatalogował zmiany w ich RNA. Wyniki badań z laboratorium i z natury były zgodne.
Zmiany genów wpływają na układ nerwowy, co ma sens, biorąc pod uwagę repertuar złożonych zachowań, z których słynie ośmiornica. My Octopus Teacher, film dokumentalny z 2020 roku, zilustrował moc mózgu zwierzęcia w prawdziwej historii Craiga Fostera, który podążył za ośmiornicą i zaprzyjaźnił się z nią w zimnym gąszczu wodorostów w pobliżu Kapsztadu. Foster przez rok podążał za młodym głowonogiem, który wyraźnie czuł się swobodnie w towarzystwie swojego ludzkiego przyjaciela, co dało niespotykany dotąd obraz życia ośmiornicy.
Naukowcy i współpracownicy przeanalizowali dwa przykłady edycji RNA nadzorującej funkcjonowanie układu nerwowego. W szczególności odkryli silny wpływ na dwa takie białka.
Edycja RNA przyspiesza działanie kinezyny-1, białka wpływającego na transport aksonalny – przenoszący cząsteczki wzdłuż głównych wypustek neuronu. Edycja jednej zasady RNA zmienia również responsywność synaptotagminy, która sprzyja komunikacji neuron-neuron. Naukowcy piszą, że zmiany prawdopodobnie zachodzą wraz ze stopniowymi zmianami temperatury.
Rosenthal podejrzewa, że edycja RNA w tych dwóch białkach to tylko „czubek góry lodowej” i prawdopodobnie kryje się za doskonałymi mózgami głowonogów, które potrafią nadzorować spektakularne i nagłe kamuflaże, komunikować się, a nawet rozwiązywać zagadki.
Odkrycie i opis eleganckiej edycji RNA ośmiornicy stanowi przekonujący przykład błędnego przekonania o „dowodzie naukowym”. Dla mnie piękno nauki polega na tym, że nowe dowody nieustannie zmieniają to, co myśleliśmy, że już wiemy.
Link do oryginału: https://dnascience.plos.org/2023/06/08/how-and-why-the-octopus-edits-its-rna/
DNA Science, PLOS, 8 czerwca 2023
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
RICKI LEWIS wykłada genetykę, jest autorką jednego z najczęściej używanych podręczników akademickich z tej dziedziny (Human Genetics: Concepts and Applications), zajmuje się popularyzacją nauki, prowadzi również blog: https://www.goodreads.com/author/show/21790.Ricki_Lewis/blog.
