Cell：章鱼利用RNA编辑通过改变蛋白功能来快速响应温度变化

每个细胞都有一套有限的指令编码在它的DNA中。然而，生命是不可预测的，当环境发生变化时，动物需要灵活性来适应。在一项新的研究中，来自美国海洋生物学实验室和以色列特拉维夫大学等研究机构的研究人员发现章鱼和它们的近亲通过修补它们的RNA--一种传递DNA指令的中间分子，优雅地适应环境挑战。相关研究结果发表在2023年6月8日的Cell期刊上，论文标题为“Temperature-dependent RNA editing in octopus extensively recodes the neural proteome”。

在这项新的研究中，海洋生物学实验室的Joshua Rosenthal及其同事们记录了当属于头足类动物的章鱼、鱿鱼和墨鱼适应冷水时，RNA编辑大量增加。在让章鱼的水箱冷却后，他们在这些动物的神经系统的13000多个RNA位点处观察到蛋白改变活性增加了。在其中的两种情形中，他们研究了更换RNA分子代码中的一个碱基如何改变神经元产生的蛋白的功能。

根据Rosenthal的说法，通过RNA编辑，这些头足类动物似乎找到了一种调整其自身生理结构的独特方式。他说，“我们习惯于认为所有的生物从出生起就被预设了某一套指令。正如我们在头足类动物中显示的那样，环境可以影响遗传信息的想法是一种新的概念。”

头足类动物中大规模RNA编辑之谜

细胞的分子机器将DNA编码的指令转录成RNA，其中的一些RNA会继续用于制造蛋白。科学家们已了解到，细胞有能力将由四种碱基（A、T、C和G）组成的遗传密码中的腺苷（A）换成一种替代碱基，即肌苷（I），而肌苷的行为类似于这四种碱基中的鸟苷（G）。虽然同样的过程发生在人类和大多数其他动物身上，但它只在很少情况下影响到产生蛋白的RNA。

2015年，Rosenthal和他的同事们已发现鱿鱼大规模地采用了这种改变蛋白的RNA编辑（称为A→I），后来又在章鱼中发现了同样的情况（Cell, 2017, doi:10.1016/j.cell.2017.03.025）。Rosenthal说，“我们的一个大问题是，‘它们用它做什么？’”

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.004。

鉴于RNA编辑只是暂时改变RNA，这些作者猜测这些动物利用它来适应它们的环境。在这项新的研究中，他们专注于这样的一种因素---温度---在神经系统中的影响。温度很重要，因为它控制着酶的活性，而酶又反过来驱动对所有生理过程至关重要的化学反应。

像其他头足类动物一样，他们研究的加州双斑章鱼（Octopus bimaculoides）不能产生自己的体温来抵消伴随潮汐、水深变化和季节的温度下降。

在使章鱼适应其自然范围的温暖端(22°C，亦即72°F)和寒冷端(约13°C，亦即55°F)的温度后，这些作者研究了它们的RNA。在它们的RNA分子代码中，他们追踪了他们已知发生RNA编辑的位点处的活性。对于生活在低温水箱中的章鱼而言，他们发现在13285个发生单碱基变化会改变蛋白活性的位点中，发生这种单碱基变化的位点显著增加。对于那些生活在温暖水箱中的章鱼而言，他们发现在550个这样的位点中，发生单碱基变化的位点增加了。

后续实验表明，RNA编辑可能有助于这些动物适应渐进的变化，但不能适应与快速变化有关的变化，比如从较温暖的表层水游到到较冷的深处。

为了证实实验室的工作，论文第一作者Matthew Birk在冬季和夏末记录了章鱼窝附近的温度，然后收集了这些动物。

这些作者研究了RNA编辑如何调整对章鱼的神经功能至关重要的两种蛋白的功能。第一种蛋白---驱动蛋白1（kinesin-1）---沿着神经元的长分支运送货物。他们发现，RNA编辑改变了这种分子的移动速度。同样，它也改变了一种叫做突触结合蛋白（synaptotagmin）的反应性，这种蛋白能够在神经元之间进行交流。

头足类动物的复杂性的一个秘密？

Rosenthal猜测，头足类动物可能利用这种形式的基因调整来适应许多方面的变化，远远超出适应冷水的范围。他说，针对这项研究的发现，“我认为这是冰山一角”。

它可能部分地解释了这些生物如何实现复杂的行为。例如，章鱼可以解决机械难题，并模仿颜色和纹理来伪装自己。像这些能力需要由一系列复杂的蛋白组成的神经系统。

Rosenthal说，“它们使用什么机制来创造这种复杂性？我相信，RNA编辑是其中之一。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Matthew A. Birk et al. Temperature-dependent RNA editing in octopus extensively recodes the neural proteome. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.004.