Осьминоги могут перепрограммировать свой мозг "на лету"
Осьминоги нашли невероятный способ защитить более тонкие части своей нервной системы от радикально меняющихся температур. Когда условия колеблются, они могут быстро перекодировать ключевые белки в своих нервных клетках, гарантируя, что важнейшая неврологическая деятельность останется функциональной при резком падении температуры.
Они задействуют редкую сверхспособность – редактирование своего РНК на лету, что присуще некоторым видам осьминогов, кальмаров и каракатиц.
Это необычная, но эффективная стратегия, ученые считают, что она может быть широко распространена во всем мире головоногих.
“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”, – говорит морской биолог Джошуа Розенталь из Лаборатории морской биологии Чикагского университета, старший автор новых исследований.
У человека генетические инструкции по выживанию могут меняться, но обычно это происходит медленно, с изменением ДНК 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 клеток, выдавая шаблоны через промежуточную молекулу, называемую матричной РНК (или мРНК). Для большинства организмов это довольно просто; как только матрица выпущена, в РНК больше не происходит никаких изменений. Однако у головоногих все немного иначе.
В 2015 году ученые обнаружили, что кальмары, каракатицы и осьминоги могут модифицировать РНК после того, как она покинула ядро, редактируя ее “на лету”, что позволяет быстро реагировать. Морские организмы подвержены воздействию широкого диапазона температур, а у осьминогов отсутствует способность к активной терморегуляции. Редактирование РНК дает возможность изменяться так, как диктуют условия, без долгосрочного внедрения и относительного постоянства редактирования ДНК.
Под руководством морского биолога Мэтью Бирка из Морской биологической лаборатории и Университета Святого Франциска группа исследователей проверила это предположение. Их объектами были калифорнийские двухточечные осьминоги Octopus bimaculoides, чей геном был впервые секвенирован в 2005 году, что сделало это животное полезным для понимания генетических изменений. Исследователи акклиматизировали этих осьминогов к воде при температуре 22 градуса по Цельсию и при 13 градусах по Цельсию, а затем сравнили их генетическую информацию с геномом из базы данных.
“Температурно-зависимое редактирование произошло примерно в одной трети случаев – более чем в 20 000 отдельных мест – так что это происходит не то тут, то там – это глобальное явление”, – говорит физик Эли Айзенберг из Тель-Авивского университета, соавтор исследования. “Но это не происходит одинаково – редактируемые белки, как правило, являются нервными белками, и почти все участки, чувствительные к температуре, более сильно редактируются на холоде”.
Таким образом, редактирование, является 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 показали, что происходящие изменения повлияют на их функцию.
Команда также проверила, насколько быстро происходят изменения. Они подняли температуру в аквариуме с осьминогом с 14 градусов по Цельсию до 24 градусов по Цельсию и 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.
“Это происходит очень быстро”, – говорят исследователи. “Мы смогли увидеть значительные изменения менее чем за день, а в течение четырех дней они вышли на новый устойчивый уровень, на котором вы обнаружите их через месяц”.
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.