演化的另一種型態?章魚以大量進行的 RNA 編輯適應環境變動

作者 | 發布日期 2017 年 08 月 23 日 13:13 | 分類 生物科技 follow us in feedly

章魚的特殊外形使牠們在許多科幻小說電影裡面常和外星生物形象連結,牠們有 3 個心臟、像鸚鵡喙的吻部、能分泌毒素及 8 條感受外界的半獨立腕。但章魚的奇妙不僅在外表,基因也非常奇特。最近發表於知名科學期刊《Cell》的研究,顯示章魚的驚人之處不僅於此,牠們竟然能改變自身 RNA,進而以比 DNA 突變快非常多的速度來改變體內蛋白質的特性與功能。包含章魚在內的頭足綱物種體內有能將 RNA 序列中的 A(adenine)轉變為 I(inosine)的酵素,這樣的過程最終能讓原本的 A 序列被 G 取代。



章魚所屬的蛸亞綱(Coleoidea)與鸚鵡螺亞綱(nautiluses)同屬軟體動物門的頭足綱,牠們的共同祖先大約生活在 5.3 億年前。蛸亞綱雖然不屬脊椎動物,但牠們有非常複雜的大腦與行為。其中,一般人熟悉的包含 300 多種的章魚尤其令人驚豔。牠們擁有出人意料的觀察及學習記憶能力,行為也很特別,除了人們熟知的噴出墨汁躲避掠食者,還能以椰子殼建造掩蔽處、操縱物體使用工具、從水族箱逃脫、扭曲壓縮身體進入狹小的空間,還能轉變身體表面紋理和顏色以融入周遭環境,甚至能破壞儀器。自然主義小說家賽‧蒙哥馬利(Sy Montgomery)曾經這麼寫道:「科幻電影裡的外星人也沒有怪異得比章魚更令人驚奇。」

由來自海洋科學研究所(Marine Biological Laboratory)的 Joshua Rosenthal 及以色列特拉維夫大學(Tel Aviv University)的 Eli Eisenberg 領導的研究團隊,發現章魚和與相近的頭足綱動物能在體內進行動物界十分罕見的 RNA 編輯,以更改其基因序列。由於 RNA 編輯並不會改變章魚真正用來保存遺傳訊息的 DNA,但又能精細調控當下的基因表現。章魚體內進行的 RNA 編輯範圍之大,遠遠超過已知的其他動物族群。

美國威斯塔研究所 Kazuko Nishikura 表示,該研究團隊在最近舉辦的會議展示這項研究成果,驚豔在場所有研究者。專注研究小鼠及人類 RNA 編輯現象的 Kazuko Nishikura 表示,在小鼠及人類這兩種生物體內 RNA 編輯功能有限,但在章魚體內卻完全不一樣,這使 Kazuko Nishikura 推測該現象是否和章魚特別成熟的腦部有關。

這個推測確實有根據,因為 Rosenthal 和 Eisenberg 發現,頭足綱動物體內的 RNA 編輯在神經細胞特別盛行,牠們能將重要的神經系統相關 RNA 重新編輯,而重要的 RNA 也正是「使神經細胞成為神經細胞」的那些基因。更有趣的是,這個現象只會出現在比較聰明的蛸亞綱中,像章魚、烏賊、墨魚等;而在比較「笨」的鸚鵡螺等物種則沒有觀察到這種現象。Rosenthal 表示,這個現象沒有出現在人類身上,猿猴也沒有;只有蛸亞綱動物出現。

這些現象綜合起來可能表示,牠們體內大量廣泛進行的 RNA 編輯,造就了牠們有別於其他無脊椎物種的高智商,雖然目前這個推論僅止於研究者的推測,但研究團隊中 Noa Liscovitch-Brauer 表示,這是個非常吸引人的假設。

一般熟悉的動物遺傳因子 DNA 是由一連串包含 4 種單元的化學分子密碼組成,4 種密碼再分別以 A、C、G 及 T 表示,但 DNA 只負責儲存遺傳訊息,基因的表現需要經過轉錄作用將 DNA 轉變為擁有類似結構的 RNA 分子,再經由轉譯作用進一步將 RNA 帶有的訊息轉為胺基酸序列,胺基酸序列經過摺疊修飾,成為具功能性的蛋白質,就能夠改變生物體內的運作調控及構成。

在這一連串步驟中,DNA、RNA 及蛋白質分別有不同特性也扮演不同角色,DNA 像文件正本,做為穩定的遺傳資訊儲存分子;RNA 就像大量影印的副本,是根據 DNA 大量抄寫的攜帶資訊分子;而蛋白質是按照藍圖做出的最終成品。

DNA 轉錄出 RNA,RNA 轉譯為蛋白質,這樣的過程只是簡化的敘述。事實上,RNA 分子在轉譯出蛋白質之前經常有所更動。比較大型的改變像是大範圍的剪除一些片段,再將剩下的片段重新連結起來;比較小型的改變則像某個序列從 A 轉變成 I(功能相當於序列 G),這種由 A 轉成 I 序列的改變是由細胞內一群稱為 ADARs 的酵素催化,它們能辨認特定的 RNA 序列並修改。

目前科學家還不清楚 RNA 編輯的目的,但可以知道的是,動物體內進行的 RNA 編輯能改變產生的蛋白質型態及特性,並且避開對 DNA 造成改變。DNA 的改變是長遠的,但 RNA 存在時間短暫,改變 RNA 造成的影響相對範圍較小。值得注意的是,在實際情形中,目前有發現的 RNA 編輯案例極少,人類基因中大約只有 3% 會經過 RNA 修改,且大多數修改發生在之後會被切除丟棄的 RNA 片段,和這項研究發現的案例在程度上相去甚遠。

犧牲了演化速度

Rosenthal 和 Eisenberg 在 2015 年時在一種常用於研究神經科學的鎖管科烏賊(longfin inshore squid,Doryteuthis pealeii)體內,發現不尋常的 RNA 編輯活動,比一般哺乳類體內大約只會有幾百個位置進行 RNA 編輯,烏賊體內竟然有高達 57,000 個位置正進行 RNA 編輯。除此之外,這些進行 RNA 編輯的位置,並不在之後會去除的 RNA 片段,而是會留下並改變之後產生的蛋白質型態片段。在烏賊神經系統內的蛋白質產物也的確因此改變。

研究團隊又進一步研究更多頭足綱動物,Liscovitch-Brauer 接著研究了歐洲烏賊(common cuttlefish, Sepia officinalis)、普通章魚(common octopus, Octopus vulgaris)以及加州雙斑蛸(two-spot octopus, Octopus bimaculoides)後,發現牠們體內都有高達 80,000~130,000 個位置發生 RNA 編輯現象,且在四種頭足綱物種中,共有 443 種蛋白質上帶有 1,146 個 RNA 編輯位置。相反地,在特別古老的頭足動物綱物種鸚鵡螺中,RNA 編輯只發生在約 1,000 個位置,分屬不同亞綱的物種雖然同樣屬頭足綱,卻有如此差別。

鸚鵡螺約在 3.5~4.8 億年前出現,在頭足綱中屬於較早出現的一系,出現後便沒有經歷過大變動。牠們的腦部構造和行為較單純,體內多數 RNA 並沒有在轉譯前出現變化。但頭足綱中另一個亞綱蛸亞綱的物種就不一樣了,牠們的 RNA 在產生後會有大幅度改變,同時腦部構造也較複雜,行為也較多變。將兩者互相對照,研究團隊開始思考 RNA 編輯和腦部結構與行為演化的關聯,可能不只是偶然。

Liscovitch-Brauer 發現,在蛸亞綱物種體內這麼多發生 RNA 編輯的位置,有大約 1,000 個位置是物種間共通的,除此之外,大約也有 25 個位置和人類以及其他哺乳類動物相似。柏克萊加州大學的 Daniel Rokhsar 對這項研究成果表示,已有具說服力的證據指出,這些 RNA 編輯現象在這些基因的表達和組織有重要連結,一旦破壞這些 RNA 編輯過程,可能會對生物體造成傷害。

在進行 RNA 編輯時,當 ADAR 酵素需要針對修改單一序列,ADAR 需要辨認該序列周圍的一連串特定序列。可以想像成在一整篇文章中找一個字母 A,目標字母 A 周圍的序列就扮演非常重要的角色,必須時時維持序列的穩定性,一旦出現變動,就無法被 ADAR 辨認,也會導致 RNA 編輯無法進行。這種特性使章魚等物種的基因組不易變動,連帶演化速率也比其他動物物種慢。

Rosenthal 認為章魚等物種犧牲了演化速度來換取其他方面的適應性,牠們讓 DNA 保持穩定,改以 RNA 進行變動。牠們適應環境變遷的方式或許不是直接表現在 DNA 演化上,但卻能以 RNA 改變更即時的回應環境變化。牠們能用同一個基因產生性質不同的蛋白質產物,運用在不同溫度帶有活性的蛋白質交替表現,來因應外界溫度變化。

Rosenthal 表示,他已研究 ADAR 許多,也發現 ADAR 在不同細胞內的含量差異非常大。一群神經細胞中,可能有些帶有大量 ADAR,但有些神經細胞內一點 ADAR 也沒有。

在這項研究中解出第一個頭足綱動物全基因定序的 Carrie Albertin 來自美國芝加哥大學,他表示,這項研究結果代表了 RNA 編輯與重新編碼對脊椎動物大腦功能的重要性。將脊椎動物和頭足綱動物的大腦相互對照,科學家就能了解整個神經系統如何整合運作。

美國密西根大學分子與遺傳演化教授 Jianzhi George Zhang 表示,目前科學家發現這種有趣現象,但並不清楚為什麼章魚需要進行如此大量的 RNA 編輯活動,也無法確定與動物行為是否有關連。人類擁有非常複雜的大腦與行為,但在人類體內進行的 RNA 編輯活動非常少見。這兩相對照產生更多有趣的問題,科學家想知道的不只是為什麼頭足綱動物特別進行大量 RNA 編輯活動,還有為什麼其他動物沒有發展出同樣廣泛運用 RNA 編輯的機制。

研究團隊也表示,接下來他們會調整頭足綱動物的基因以繼續研究,順利的話他們會讓 ADAR 酵素失去功能,讓 RNA 編輯無法進行,藉此觀察 RNA 編輯對生物的影響。

(首圖來源:Flickr/Karen CC BY 2.0) 

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