变温动物的超强大脑

　　

   

   

这是一张加州双斑章鱼(octopus bimaculoides)的照片

章鱼不会调节体温，所以它们强大的大脑会受到温度变化的威胁。研究人员在6月8日的《Cell》杂志上报告说，两斑章鱼在温暖和凉爽的条件下通过产生不同的神经蛋白来适应季节性的温度变化。章鱼通过编辑它们的RNA (DNA和蛋白质之间的信使分子)来实现这一点。这种重新布线可能会保护它们的大脑，研究人员怀疑这种不寻常的策略在章鱼和鱿鱼中广泛使用。

“我们通常认为我们的遗传信息是固定的，但环境会影响你编码蛋白质的方式，在头足类动物中，这种情况会大规模发生，”马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的通讯作者Joshua Rosenthal说。

DNA突变允许生物体在几代人的过程中适应，与之相比，RNA编辑为个体适应环境变化提供了一种暂时而灵活的方式。RNA编辑发生在整个生命之树上，但是RNA重新编码——当编辑改变随后的蛋白质结构时——非常罕见，除了像章鱼和鱿鱼这样的软体头足类动物。人类有数百万个编辑位点，但编辑只影响到约3%的基因中的蛋白质产物，而胶体或“智能”头足类动物则重新编码了大部分神经蛋白。

Rosenthal说:“RNA重新编码使生物体可以选择在他们选择的时间和地点表达各种各样的蛋白质。在头足类动物中，大多数重新编码都是针对对神经系统功能非常重要的蛋白质，所以自然的问题是，它们是否利用这一点来适应物理环境的变化?”

为了解决这个问题，研究小组探索了章鱼是否会因温度的变化而进行RNA编辑，以及这种编辑是否会影响它们大脑蛋白质的功能。在野外，章鱼会受到温度变化的影响，这种变化既可能迅速发生，比如当它们潜入较冷的深处或有上升流时，也可能缓慢发生，比如当季节变化时。

研究小组把注意力集中在加利福尼亚的斑点章鱼上——一种小的黄褐色章鱼，在它们真正的眼睛下面有两只闪闪发光的蓝色假眼睛。这些章鱼生活在加利福尼亚和墨西哥海岸附近，它们的基因组已经被测序。

为了研究RNA编辑是否与温度变化有关，研究人员在海洋生物实验室的水箱中将野生捕获的成年章鱼驯化为温暖(22^oC)或寒冷(13^oC)的水。几周后，他们将适应寒冷和温暖环境的章鱼的RNA转录本与基因组进行了比较，在6万多个先前确定的编辑位点上寻找RNA编辑的迹象。

“温度敏感编辑发生在我们大约三分之一的地点——超过2万个单独的地方——所以这不是在这里或那里发生的事情;这是一个全球现象，”特拉维夫大学的合著者Eli Eisenberg说，他负责这项研究的计算方面。“但话虽如此，这并不是平等发生的:被编辑的蛋白质往往是神经蛋白，几乎所有对温度敏感的位点在寒冷中都被编辑得更高。”

他们还注意到，某些类型的神经蛋白可能对温度更敏感，例如，与细胞膜相关的蛋白质(它们本身对温度非常敏感)和钙结合蛋白。

接下来，研究小组探索了这些变化发生的速度。这一次，研究人员对拇指大小的章鱼幼崽进行了研究，在大约20小时的时间里，研究人员逐渐加热或冷却了容器——从14°C加热到24°C，反之亦然，以每小时0.5°C的速度递增——并在几个时间点测量了RNA编辑的程度:温度变化之前，温度变化完成后立即，以及4天后。他们对RNA编辑发生的速度感到惊讶。

第一作者Matthew Birk说:“我们不知道这能多快发生:是需要几周还是几小时。我们可以在不到一天的时间里看到显著的变化，而在4天内，它们就达到了一个月后的新稳定水平。”

接下来，研究小组研究了这种重新编码是否会影响蛋白质结构功能。他们专注于运动蛋白(kinesin)和突触蛋白(synaptotagmin)这两种对神经系统功能至关重要的蛋白质，并比较了每种蛋白质的编辑和未编辑版本。在这两种情况下，他们都发现了证据，证明重新编码会导致蛋白质的结构变化，从而影响它们的功能。

他们还表明，野生章鱼对温度敏感的RNA编辑发生在季节性温度波动的反应中。在冬季和夏季捕获的野生章鱼显示出与实验室中观察到的相似的温度敏感RNA编辑模式。这不仅适用于加利福尼亚的两点章鱼，也适用于与之密切相关的Verrill的octopus bimaculatus。研究人员怀疑，温度敏感的RNA编辑在其他章鱼和鱿鱼中广泛存在。

关于章鱼是如何调节这种RNA编辑的，仍然存在一些悬而未决的问题，也不清楚为什么编辑在低温下更频繁地发生。

接下来，研究人员想要探索章鱼和其他头足类动物是否使用RNA重新编码来适应其他环境变量，例如低氧可用性或不同的社会环境。

Temperature-dependent RNA editing in octopus extensively recodes the neural proteome