章鱼等藐视遗传“中心法则”

章鱼有很强的核糖核酸编辑能力。资料来源:国家地理新闻网

章鱼、鱿鱼和乌贼通常不严格遵循其DNA中的遗传指令。相反，他们用酶去除核糖核酸中的特定碱基甲(腺苷)，并用不同的碱基乙(肌苷)代替。大多数动物很少使用这种被称为核糖核酸编辑的过程来记录蛋白质，但是像章鱼这样的头足类动物在超过一半的转录基因中编辑核糖核酸。在一项新的研究中，当研究人员量化并描述头足类动物的核糖核酸编辑程度时，他们发现这种遗传策略严重限制了头足类动物基因组的进化。相关的研究结果发表在最近出版的《细胞》杂志上。

此前，科学家发现章鱼利用核糖核酸编辑来快速适应温度变化，鱿鱼神经元中的大多数核糖核酸转录本都包含这些编辑。在这项新的研究中，研究人员希望找出这些编辑过程是如何在头足类谱系中进化的，以及它们是如何影响这些动物基因组的进化的。

事实上，核糖核酸编辑也可以发生在脊椎动物细胞中，但很少使用。人类有20，000个基因，但是只有几十个核糖核酸编辑位点可以编码功能蛋白质。研究人员估计鱿鱼也有大约20，000个基因，但至少有60，000个活跃的核糖核酸编辑位点。

以色列特拉维夫大学的生物物理学家伊莱·艾森伯格是该论文的合著者，他说，“基本上，这是一种不在DNA中编码的蛋白质。它们不存在于基因组序列中。对于这些头足类动物来说，这不是例外，而是规则。这是编辑大多数蛋白质的规则。”

事实上，核糖核酸编辑是如此罕见，以至于它不被认为是遗传学“中心法则”的一部分。该论文的合著者、美国伍兹霍尔海洋生物实验室的头足类神经生物学家约书亚·罗森塔尔说，“自从沃森和克里克发现遗传信息储存在DNA中，我们的观点是所有信息都储存在DNA中，并忠实地复制到另一个分子(即核糖核酸)中，然后翻译成功能蛋白质。人们通常认为这是一个非常忠实的过程。但是鱿鱼体内的核糖核酸并不总是这样，事实上，这种生物已经进化出一种强大的方式来操纵核糖核酸中的信息。”

对不同头足类的分析表明，这种核糖核酸编辑模式存在于两种章鱼物种中，普通乌贼和一种乌贼，它们属于头足类亚纲，以其复杂的捕食和社会行为而闻名。然而，当研究人员检查鹦鹉螺的核糖核酸编辑迹象时，他们也发现核糖核酸编辑水平较低，鹦鹉螺离章鱼相对较远。作为比较，他们还发现加州野兔软体动物的核糖核酸编辑水平也较低。

此外，广泛的核糖核酸编辑有很强的进化结果。核糖核酸编辑酶只能作用于被大核糖核酸上层结构包围的碱基对。如果目标两侧的碱基突变，生物体可能会失去编辑目标的能力。此外，研究人员还发现章鱼和鱿鱼等。他们的核糖核酸可编辑基因不能承受脱氧核糖核酸突变，所以他们放弃了基因组脱氧核糖核酸频繁突变的好处，以选择核糖核酸编辑。

"我们通常用它来解决一些考虑进化的挑战——为什么不使用核糖核酸编码？"艾森伯格说，“今天，我们有一个例子，当核糖核酸编辑被广泛使用时会发生什么。我们知道这是有代价的。代价是推迟基因组进化。头足类动物可能选择核糖核酸编辑而不是基因组进化，脊椎动物可能有其他选择:他们更喜欢基因组进化而不是核糖核酸编辑。”

鉴于许多头足类动物编辑大量编码关键神经蛋白的核糖核酸，研究人员还想知道核糖核酸编辑是否能让章鱼和它们的同类拥有非凡的智力。例如，章鱼不仅在捕猎时非常狡猾，而且它们也很聪明，能够避开刺耳的声音。他们通过喷墨水来隐藏自己，改变皮肤的颜色，向同伴发送信号，并通过观察来学习。

目前，研究人员正在使用章鱼动物模型来研究核糖核酸编辑是否在头足类动物的行为中起着至关重要的作用。关于核糖核酸编辑在行为中的作用的实验将要求章鱼在实验室里生长良好，并且能够操纵它们的基因。罗森塔尔说，“核糖核酸编辑是一个优雅的系统，增加了遗传信息的灵活性，但是发现何时以及如何使用它是一个真正的挑战。”(唐毅宸)