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章鱼等藐视遗传“中心法则”
来源:中国科学报      作者:唐一尘      时间:2017-04-10 00:00      关键词:
摘要:章鱼、鱿鱼和乌贼经常并不严格地遵循其DNA中的遗传指令,相反,它们利用酶清除RNA中的特定碱基A(腺苷),并且利用一种不同的碱基I(肌苷)替代它们。

章鱼具有强大的RNA编辑能力。图片来源:美国国家地理新闻网

章鱼、鱿鱼和乌贼经常并不严格地遵循其DNA中的遗传指令,相反,它们利用酶清除RNA中的特定碱基A(腺苷),并且利用一种不同的碱基I(肌苷)替代它们。大多数动物很少使用这种被称作RNA编辑的过程重新编码蛋白,但章鱼等头足类动物在一半以上的转录基因中编辑RNA。在一项新研究中,当研究人员定量和描述头足类动物的这种RNA编辑程度时,发现这种遗传策略深刻地限制了头足类动物基因组的进化。相关研究结果发表在近日出版的《细胞》期刊上。

之前,科学家已发现章鱼利用RNA编辑快速地适应温度变化,而且鱿鱼神经元中的绝大多数RNA转录本含有这些编辑。而在这项新研究中,研究人员希望发现这些编辑过程在头足类动物谱系中如何进化出来,以及如何影响这些动物基因组进化。

实际上,脊椎动物细胞也能发生RNA编辑,但很少使用。人类有2万个基因,但仅几十个RNA编辑位点可能编码功能性蛋白。研究人员估计,鱿鱼也有大约2万个基因,但是至少有6万个活性RNA编辑位点。

论文共同通信作者、以色列特拉维夫大学生物物理学家Eli Eisenberg说,“基本上,这是一种制造并不编码DNA中的蛋白质。它们并不存在于基因组序列中。对这些头足类动物而言,这并不是一种例外,而是一种规则。这是大多数蛋白发生编辑的规则。”

事实上,RNA编辑如此罕见以至于它并不被认为是遗传学的“中心法则”的一部分。论文共同通信作者、美国伍兹霍尔海洋生物学实验室头足类动物神经生物学家Joshua Rosenthal表示,“自从沃森与克里克发现遗传信息储存在DNA中以来,我们的看法就是所有的信息储存在DNA中,而且它忠实地被复制到另一种分子(即RNA),随后经翻译后产生发挥功能的蛋白。人们通常认为这是一种非常忠实的过程。但鱿鱼中的RNA并不总是这样,而且事实上,这种有机体进化出一种强大的方法操纵RNA中的信息。”

针对不同的头足类动物开展的分析,揭示出这种RNA编辑模式存在于两种章鱼物种、常见的墨鱼和一种鱿鱼物种中,它们都属于头足纲中的鞘亚纲,并以具有复杂的捕食行为和社会行为而为人所知。然而,当研究人员在与章鱼亲缘关系较远的鹦鹉螺中检查了RNA编辑的迹象时,他们也发现了更低水平的RNA编辑。为了进行比较,他们还发现RNA编辑水平在加州海兔属软体动物中也是较低的。

此外,广泛的RNA编辑具有强健的进化结果。RNA编辑酶仅能作用于被一种大的RNA超结构包围的碱基对。如果靶点任何一侧的碱基发生突变,那么有机体就可能丧失编辑该靶标的能力。而且,研究人员还发现,章鱼和鱿鱼等并不能承受在其RNA可编辑的基因中发生的DNA突变,因此它们为了选择RNA编辑,放弃基因组DNA经常发生突变带来的益处。

“我们通常利用它是否能解答一些挑战以考虑进化——为何RNA重编码不被使用?” Eisenberg说,“如今,我们有一个例子说明当大量地使用RNA编辑时会发生什么。我们知道这存在代价。代价就是延缓基因组进化。头足类动物很可能选择RNA编辑而不是基因组进化,而且脊椎动物可能具有其他的选择:它们偏好基因组进化而不是RNA编辑。”

鉴于很多头足类动物对编码关键的神经蛋白的RNA进行大量编辑,研究人员还想知道RNA编辑能否导致章鱼和同类具有非凡的智力。例如,章鱼不仅在捕食时狡猾无比,而且它们也在逃避刺耳声音时也足够聪明。它们通过喷射墨汁自我躲藏、改变皮肤颜色给同伴传递信号,以及通过观察进行学习。

目前,研究人员正用一种章鱼动物模型研究RNA编辑是否在头足类动物行为中发挥着至关重要的作用。针对RNA编辑在行为中发挥的作用开展的实验将需要章鱼在实验室中生长良好,而且能对它们进行基因操纵。Rosenthal说,“RNA编辑是一种优雅的系统,能给遗传信息添加灵活性,但是找出它何时和如何被使用才是一项真正的挑战。” (唐一尘)