章鱼重塑大脑以适应季节性温度变化

章鱼不调节体温，因此它们强大的大脑会暴露在温度变化中，并可能受到温度变化的威胁。研究人员在 6 月 8 日的《细胞》杂志上报告说，双点章鱼通过在温暖和凉爽条件下产生不同的神经蛋白来适应季节性温度变化。章鱼通过编辑它们的 RNA 来实现这一点，RNA 是 DNA 和蛋白质之间的信使分子。这种重新布线可能会保护他们的大脑，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，而在头足类动物中，这种情况会大规模发生，”伍兹霍尔海洋生物实验室的资深作者 Joshua Rosenthal (@joshrosenthal16)说，马萨诸塞州。

与允许生物体在几代人的过程中适应的 DNA 突变相比，RNA 编辑为个体提供了一种临时和灵活的方式来适应环境变化。RNA 编辑发生在整个生命之树中，但 RNA 重新编码——当编辑改变随后的蛋白质结构时——要少得多，除了章鱼和鱿鱼等软体头足类动物。人类拥有数百万个编辑位点，但编辑仅影响约 3% 的基因中的蛋白质产物，而鞘状纲动物或“智能”头足类动物会重新编码其大部分神经蛋白质。

“RNA 重新编码让生物体可以选择在他们选择的时间和地点表达多种蛋白质，”Rosenthal 说。“在头足类动物中，大部分重新编码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，它们是否利用它来适应物理环境的变化?”

为了解决这个问题，研究小组探讨了章鱼是否会根据温度变化进行 RNA 编辑，以及这种编辑是否会影响其大脑蛋白质的功能。在野外，章鱼会暴露在温度变化的环境中，这种变化既可能迅速发生，例如，当它们潜入较冷的深度或出现上升流时，也可能发生缓慢，当季节变化时。

该团队专注于加利福尼亚双斑章鱼 ( Octopus bimaculoides )——一种黄褐色的小章鱼，在它们的真眼下有两只彩虹色的蓝色假眼。这些章鱼生活在加利福尼亚和墨西哥的海岸附近，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，研究人员让野生捕获的成年章鱼在海洋生物实验室的水箱中适应温暖 (22ºC) 或寒冷 (13ºC) 的水域。几周后，他们将冷环境和暖环境章鱼的 RNA 转录本与基因组进行比较，以在 60,000 多个先前确定的编辑位点寻找 RNA 编辑的迹象。

“对温度敏感的编辑发生在我们大约三分之一的站点——超过 20,000 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”，特拉维夫大学的共同资深作者 Eli Eisenberg 说，他负责这项研究的计算方面。“但话虽这么说，但情况并不相同：被编辑的蛋白质往往是神经蛋白质，几乎所有对温度敏感的位点都在寒冷中进行了更高程度的编辑。”

他们还注意到某些类型的神经蛋白更可能对温度敏感，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，该团队探索了这些变化发生的速度。这次使用拇指大小的幼年章鱼，研究人员在大约 20 小时的过程中逐渐加热或冷却水箱 - 从 14°C 到 24°C，反之亦然，每小时增加 0.5°C，并测量了 RNA 编辑的程度在几个时间点：温度变化前、温度变化完成后立即以及最多 4 天后。他们对 RNA 编辑发生的速度感到惊讶。

“我们不知道这会发生多快：需要数周还是数小时”，第一作者马修伯克说，他作为海洋生物实验室的博士后研究员领导该项目，现在是圣弗朗西斯大学的助理教授。“我们可以在不到一天的时间内看到显着变化，在 4 天内，它们就达到了一个月后的新稳态水平。”

接下来，该团队与密歇根大学的 Kristen Verhey 和德克萨斯理工大学的 Roger Sutton 合作，探讨了这种重新编码是否会影响蛋白质结构功能。他们专注于驱动蛋白和突触结合蛋白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，他们都发现了证据表明重新编码会在蛋白质中产生影响其功能的结构变化。

他们还表明，对温度敏感的 RNA 编辑会在野生章鱼中发生，以响应季节性温度波动。冬季与夏季捕获的野生章鱼显示出与实验室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双斑章鱼，而且对于密切相关的 Verrill 双斑章鱼 ( Octopus bimaculatus ) 也是如此，研究人员怀疑温度敏感的 RNA 编辑广泛发生在其他章鱼和鱿鱼中。

关于章鱼如何调节这种 RNA 编辑的问题仍然悬而未决，目前还不清楚为什么编辑会更频繁地响应低温。

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，例如低氧可用性或多变的社会环境。

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