Осьминоги и Кальмары могут менять свою РНК, двумя способами, в отличии от людей.

Многие писатели ворчат, когда редактор вносит изменения в рассказ, но последствия изменения одного слова обычно не так страшны.

Не так обстоит дело с генетическими инструкциями по созданию белков. Даже небольшое изменение может помешать белку правильно выполнять свою работу, что может привести к смертельным последствиям. Лишь в редких случаях изменения могут быть полезны. По-видимому, разумнее всего сохранять генетические инструкции в том виде, в котором они написаны. Если только вы не осьминог.

Осьминоги - это как инопланетяне, живущие среди нас, - они многое делают не так, как сухопутные животные или даже другие морские обитатели. Их гибкие щупальца чувствуют вкус того, к чему прикасаются, и обладают собственным разумом. Глаза осьминогов дальтоники, но их кожа способна самостоятельно распознавать свет. Они - мастера маскировки, меняя цвет и текстуру кожи, чтобы слиться с окружающей средой или отпугнуть соперников. И в большей степени, чем большинство других существ, осьминоги с поразительной беспечностью, словно заведенный редактор, наносят молекулярный эквивалент красных чернил на свои генетические инструкции.

Эти правки изменяют РНК, молекулу, используемую для перевода информации из генетического плана, хранящегося в ДНК, оставляя ДНК неизменной.

Ученые пока не знают наверняка, почему осьминоги и другие головоногие без панциря, включая кальмаров и каракатиц, так плодовиты в редактировании. Исследователи спорят, дала ли эта форма генетического редактирования головоногим моллюскам эволюционную ногу (или щупальце), или редактирование - это просто иногда полезная случайность. Ученые также выясняют, какие последствия могут иметь изменения РНК в различных условиях. Некоторые данные свидетельствуют о том, что редактирование может придать головоногим моллюскам некоторую сообразительность, но ценой сдерживания эволюции в их ДНК.

Главная догма молекулярной биологии гласит, что инструкции по созданию организма содержатся в ДНК. Клетки копируют эти инструкции в мессенджерные РНК, или мРНК. Затем клеточные механизмы, называемые рибосомами, считывают мРНК и строят белки, соединяя аминокислоты вместе. В большинстве случаев состав белка соответствует шаблону ДНК, содержащему последовательность аминокислот белка.

Но редактирование РНК может привести к расхождениям с инструкциями ДНК, в результате чего образуются некоторые белки, аминокислоты которых отличаются от тех, что указаны в ДНК.

Редактирование химически изменяет один из четырех строительных блоков РНК, или оснований. Эти основания часто называют по первым буквам их названий: A, C, G и U - аденин, цитозин, гуанин и урацил (РНК является версией тимина в ДНК). В молекуле РНК основания связаны с сахарами; например, аденин-сахарная единица называется аденозином.

Существует множество способов редактирования букв РНК. Головоногие моллюски преуспели в одном из видов редактирования, известном как редактирование аденозина на инозин, или A-to-I. Это происходит, когда фермент под названием ADAR2 отщепляет от аденозина (буквы А) азот и два атома водорода. В результате химической перестройки аденозин превращается в инозин (I).

Рибосомы считывают инозин как гуанин вместо аденина. Иногда это переключение никак не влияет на цепочку аминокислот результирующего белка. Но в некоторых случаях наличие буквы G там, где должна быть буква А, приводит к тому, что в белок вставляется другая аминокислота. Такое редактирование РНК, изменяющее белок, называется перекодировкой РНК.

Редактирование РНК не ограничивается обитателями морских глубин. Почти в каждом многоклеточном организме есть один или несколько ферментов для редактирования РНК, называемых ферментами ADAR, что означает "аденозиндеаминаза, действующая на РНК", - говорит Джошуа Розенталь, молекулярный нейробиолог из Морской биологической лаборатории.

У головоногих моллюсков есть два фермента ADAR. У человека они тоже есть. "В нашем мозге мы редактируем тонну РНК. Мы делаем это очень часто", - говорит Розенталь. За последнее десятилетие ученые обнаружили миллионы мест в РНК человека, где происходит редактирование.

Но эти правки редко изменяют аминокислоты в белке. Например, Эли Айзенберг из Тель-Авивского университета и его коллеги выявили более 4,6 миллиона мест редактирования в РНК человека. Из них только 1 517 перекодируют белки, сообщили исследователи в прошлом году в журнале Nature Communications. Из этих сайтов перекодировки до 835 являются общими с другими млекопитающими.

По словам Альбертина, головоногие моллюски выводят перекодирование РНК на совершенно новый уровень. У длинноперого кальмара (Doryteuthis pealeii) 57 108 сайтов перекодировки, сообщили Розенталь, Айзенберг и их коллеги в 2015 году в журнале eLife. С тех пор исследователи изучили множество видов осьминогов, кальмаров и каракатиц, каждый раз обнаруживая десятки тысяч сайтов перекодировки.

Возможно, у мягкотелых, или колеоидных, головоногих больше возможностей для редактирования, чем у других животных, поскольку по крайней мере один из ферментов ADAR, ADAR2, расположен в клетке. Большинство животных редактируют РНК в ядре - отсеке, где ДНК хранится и копируется в РНК - перед тем, как отправить сообщения на встречу с рибосомами. Но у головоногих моллюсков ферменты также находятся в цитоплазме - желеобразных внутренностях клетки.

Наличие ферментов редактирования в двух местах не объясняет полностью, почему перекодировка РНК у головоногих моллюсков намного превосходит таковую у человека и других животных. Не объясняет это и выявленные учеными закономерности редактирования.

Редактирование РНК может придать головоногим гибкость

Редактирование не является предложением "все или ничего". Редко все копии РНК в клетке редактируются. Гораздо чаще редактируется какой-то процент РНК, а остальные сохраняют свою исходную информацию. Процент, или частота, редактирования может сильно варьироваться от РНК к РНК, между клетками или тканями, а также может зависеть от температуры воды или других условий. У длинноперого кальмара большинство участков редактирования РНК редактировались 2 процента или меньше времени, сообщили Альбертин и его коллеги в прошлом году в журнале Nature Communications. Но исследователи также обнаружили более 205 000 сайтов, которые редактировались 25 и более процентов времени.

В большинстве организмов головоногих моллюсков редактирование РНК не часто влияет на состав белков. Но в нервной системе все по-другому. В нервной системе длинноперого кальмара 70 процентов правок в РНК, производящих белки, перекодируют белки. А РНК в нервной системе калифорнийского двупятнистого осьминога (Octopus bimaculoides) перекодируются в три-шесть раз чаще, чем в других органах или тканях.

Некоторые мРНК имеют несколько сайтов редактирования, которые изменяют аминокислоты в белках, кодируемых мРНК. Например, в нервной системе длинноперого кальмара 27 процентов мРНК имеют три или более сайтов перекодировки. Некоторые содержат 10 или более таких сайтов. Комбинации этих сайтов редактирования могут привести к тому, что в клетке будет создано несколько версий белка.

Наличие широкого выбора белков может дать головоногим моллюскам "большую гибкость в реагировании на окружающую среду", - говорит Альбертин, - "или дать вам множество решений стоящей перед вами проблемы". В нервной системе редактирование РНК может способствовать гибкости мышления, что может помочь объяснить, почему осьминоги могут отпирать клетки или использовать инструменты, считают некоторые исследователи.

Когда у людей и других позвоночных имеются различные версии белка, это часто происходит из-за наличия нескольких копий гена. Удвоение, утроение или учетверение копий гена "приводит к созданию целой генетической площадки, позволяющей генам разбегаться и выполнять различные функции", - говорит Альбертин. Но головоногие моллюски, как правило, не дублируют гены. Вместо этого их инновации происходят за счет редактирования.

И здесь есть большой простор для инноваций. У кальмара мРНК для построения белка альфа-спектрина имеет 242 участка перекодировки. Все комбинации отредактированных и неотредактированных участков теоретически могут создать до 7 х 1072 форм белка, сообщают Розенталь и Айзенберг в выпуске Annual Review of Animal Biosciences за этот год. "Чтобы представить это число в перспективе, - пишут исследователи, - достаточно сказать, что оно превосходит количество всех молекул альфа-спектрина (или, если уж на то пошло, всех белковых молекул), синтезированных во всех клетках всех кальмаров, когда-либо живших на нашей планете с начала времен".

Такой невероятный уровень сложности был бы возможен только в том случае, если бы каждый участок был независимым, говорит Кавита Ранган, молекулярный биолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Ранган изучала перекодировку РНК у калифорнийского рыночного кальмара (Doryteuthis opalescens) и у длинноперого кальмара. Температура воды заставляет кальмара перекодировать моторные белки, называемые кинезинами, которые перемещают грузы внутри клеток.

У длинноперого кальмара мРНК, производящая кинезин-1, имеет 14 участков перекодировки, обнаружила Ранган. Она исследовала мРНК из зрительной доли - части мозга, обрабатывающей визуальную информацию, - и из звездчатого ганглия - совокупности нервов, участвующих в генерации мышечных сокращений, которые создают струи воды для движения кальмара.

Каждая ткань производила несколько версий белка. Но определенные участки, как правило, редактировались вместе, сообщили Ранган и Самара Рек-Питерсон, также из Калифорнийского университета в Сан-Диего, в сентябре прошлого года в препринте, опубликованном на сайте bioRxiv.org. Полученные ими данные свидетельствуют о том, что редактирование некоторых сайтов координируется, и "решительно опровергают идею о том, что редактирование происходит независимо", - говорит Ранган. "Частота комбинаций, которые мы наблюдаем, не соответствует тому, если бы каждый сайт редактировался независимо".

Несмотря на то, что перекодировка у головоногих моллюсков происходит гораздо чаще, чем у людей, в большинстве случаев перекодировка не является выгодной или адаптивной для головоногих, утверждают исследователи в 2019 году в журнале Nature Communications.