Science Advances:章鱼和人类的大脑有什么共同之处

【字体: 时间:2022年11月28日 来源:Science Advances

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  像章鱼、鱿鱼和乌贼这样的头足类动物是具有复杂神经系统的高智商动物。在“科学进展”中,Max Delbrück中心的Nikolaus Rajewsky领导的团队现在已经表明,它们的进化与它们的microRNA储备的急剧增加有关。

  
   

Juvenile octopus    

图片:章鱼有复杂的“照相机”眼睛,如图所示,这是一只幼年动物    

图片来源:Nir Friedman

像章鱼、鱿鱼和乌贼这样的头足类动物是具有复杂神经系统的高智商动物。在“Science Advances”中,Max Delbrück中心的Nikolaus Rajewsky领导的团队现在已经表明,它们的进化与它们的microRNA储备的急剧增加有关。  

如果我们回到进化史上足够远的时间,我们会遇到人类和头足类动物最后一个已知的共同祖先:一种原始的类虫动物,智力最低,眼睛斑点简单。后来,动物王国可以分为两类有机体——有脊椎的和没有脊椎的。虽然脊椎动物,特别是灵长类动物和其他哺乳动物,继续发展出具有不同认知能力的大而复杂的大脑,但无脊椎动物却没有。只有头足类动物例外。

科学家们一直想知道为什么如此复杂的神经系统只能在这些软体动物身上发育。现在,由美国Max Delbrück中心和达特茅斯学院的研究人员领导的一个国际团队提出了一个可能的原因。在发表在《科学进展》上的一篇论文中,他们解释说,章鱼的神经组织中拥有大量的microRNAs (miRNAs),这反映了脊椎动物中出现的类似发展。“所以,这就是我们和章鱼之间的联系!”Max Delbrück中心(MDC-BIMSB)柏林医疗系统生物学研究所科学主任、基因调控元件系统生物学实验室负责人、该论文的最后一位作者Nikolaus Rajewsky教授说。他解释说,这一发现可能意味着miRNAs在复杂大脑的发育中起着重要作用。

2019年,Rajewsky读到一份关于对章鱼进行基因分析的出版物。科学家们发现,这些头足类动物体内发生了大量的RNA编辑,这意味着它们大量使用某些酶来重新编码它们的RNA。Rajewsky回忆道:“这让我想到章鱼可能不仅擅长编辑,还可能有其他的RNA技巧。”因此,他开始与那不勒斯的Stazione zoisco Anton Dohrn海洋研究站合作,该研究站向他发送了来自死章鱼的18种不同组织类型的样本。

分析的结果令人惊讶:“确实有很多RNA编辑在进行,但不是在我们认为感兴趣的区域,”Rajewsky说。最有趣的发现实际上是一组众所周知的RNA基因——microRNAs的急剧膨胀。总共发现了42个新的miRNA家族——特别是在神经组织中,大部分在大脑中。鉴于这些基因在头足类动物进化过程中是保守的,研究小组得出结论,它们显然对动物有益,因此在功能上很重要。

Rajewsky研究miRNAs已经超过20年了。这些基因不是被翻译成信使RNA,信使RNA在细胞中传递蛋白质生产的指令,而是编码小片段RNA,与信使RNA结合,从而影响蛋白质生产。在头足类动物的进化过程中,这些结合位点也是保守的,这也表明这些新的miRNAs具有重要的功能。

新的microRNA家族

主要作者Grygoriy Zolotarov医学博士说:“这是动物世界中microRNA家族的第三大扩张,也是脊椎动物之外最大的扩张。”Grygoriy Zolotarov是一名乌克兰科学家,他在布拉格完成医学院学业时曾在Rajewsky在MDC-BIMSB的实验室实习。“为了让你对规模有个概念,牡蛎也是软体动物,自它们与章鱼共享的最后一个祖先以来,只获得了5个新的microRNA家族,而章鱼获得了90个!”佐洛塔罗夫补充说,牡蛎并不以它们的智力而闻名。

Rajewsky对章鱼的迷恋始于多年前,在一次晚上参观加州蒙特利湾水族馆的时候。“我看到这个生物坐在水箱底部,我们花了几分钟——所以我想——看着对方。”他说,看章鱼和看鱼非常不同:“这不是很科学,但它们的眼睛确实散发出一种智慧的感觉。”章鱼有与人类类似的复杂的“照相机”眼睛。

从进化的角度来看,章鱼在无脊椎动物中是独一无二的。他们有一个中枢大脑和一个外围神经系统——一个能够独立行动的神经系统。如果章鱼失去了触须,触须仍能对触摸保持敏感,并仍能移动。章鱼之所以能发展出如此复杂的大脑功能,可能是因为它们非常有目的性地使用它们的手臂——例如,作为打开贝壳的工具。章鱼还显示出其他的智慧迹象:它们非常好奇,能记住东西。它们还能识别人,实际上更喜欢一些人。研究人员现在认为它们甚至做梦,因为它们在睡觉时改变了颜色和皮肤结构。

“外星人”生物

“他们说,如果你想见到外星人,就去潜水,和章鱼交朋友,”Rajewsky说。他现在正计划与其他章鱼研究人员合作,组成一个欧洲网络,让科学家之间进行更多的交流。Rajewsky说,尽管目前研究章鱼的群体很小,但世界范围内对章鱼的兴趣正在增长,包括行为研究人员。他说,分析一种完全独立于人类而发展起来的智能是一件令人着迷的事情。但这并不容易:“如果你用小零食作为奖励和他们做测试,他们很快就会失去兴趣。至少,我的同事是这么告诉我的。”Rajewsky说。

Zolotarov说:“由于章鱼不是典型的生物模型,我们的分子生物学工具非常有限。”“所以我们还不知道具体是哪种细胞表达这种新的microRNAs。”Rajewsky的团队现在正计划应用Rajewsky实验室开发的一项技术,该技术将使章鱼组织中的细胞在分子水平上可见。

文章标题

MicroRNAs are deeply linked to the emergence of the complex octopus brain

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