章鱼哥为什么能这么贼？科学家从基因层面找到了解释

章鱼是一种神奇的动物，它有三个心脏，一个鹦鹉般的喙，以及八条尝遍天下、我行我素的腿。

章鱼能喷射墨汁，施展“缩身术”；它会柔骨功，能穿过最狭小的缝隙（好吧，其实章鱼全身上下基本没骨头）；它还能迅速改变身体颜色和质感，融入环境，伪装自己。

它们有着惊人的智力，能挥舞工具，能解决问题，还能破坏仪器设备。正如自然学家塞·蒙哥马利（Sy Montgomery）所说，“论怪异程度，没有哪个科幻异形能和章鱼相比”。不过，章鱼的身体还不是最怪诞的，它的基因才叫稀奇呢。

美国海洋生物学实验室的科学家约书亚·罗森塔尔（Joshua Rosenthal）和特拉维夫大学的伊莱·艾森柏格（Eli Eisenberg）领导了一个团队，证明章鱼和它的亲戚——头足纲动物——会编辑自己的RNA，这在动物王国中十分罕见。它们居然可以微调基因所编码的信息，但是又不改变基因本身。而且，修改得比其他任何动物都要厉害。

“在最近的一场会议上，他们展示了这一研究，让所有人都大吃一惊。”威斯达研究所（Wistar Institute）的基因科学家西仓和子说。“在小鼠和人类中，RNA编辑都非常有限。章鱼就不一样了。不知它高度发达的大脑是否跟这有关。”

看上去的确很有关系。罗森塔尔和艾森伯格发现，在头足类动物的神经元中，RNA编辑随处可见，被编辑的都是编码神经系统的重要基因。而且在头足纲动物中，只有智力较高的蛸亚纲动物——章鱼、鱿鱼、墨鱼——才会进行RNA编辑。相对愚笨的鹦鹉螺亚纲就不会。“人类不会，猴子也不会，只有蛸亚纲会。”

鹦鹉螺

那么，RNA编辑是怎样进行的呢？基因以DNA形式编码指令，基本单位是四种碱基，分别用字母A、C、G、T表示。这些指令要发挥作用，DNA首先得转录为RNA，其碱基构成与DNA基本类似。RNA继而被翻译为蛋白质——细胞中肩负一切重要工作的分子机器。因此，DNA储存信息，RNA传递信息，蛋白质则是信息的表达结果。

这是最简单的情况。然而，RNA在被翻译成蛋白质前，常会被修改——比如有一大段被切除，剩余片段又被接到一块儿。有时改动比较轻微，比如一个A被换成了I（功能上与G相近）。这就是RNA编辑。它由RNA腺苷脱氨酶（ADAR）完成，这种酶可以识别特定RNA序列，将A替换成I。

但生物最自身RNA进行微编辑是为了什么？到目前为止这还是个未解之谜。从理论上讲，这样可以在不改变DNA指令的情况下，变更蛋白质的性质。但从实际情况看，这种重编码过程十分罕见。只有大约3%的人类基因会出现这样的编辑，而且通常仅限于剪切和丢弃RNA片段。就现实情况来看，其适应性似乎不是很强。

在章鱼等头足类动物中，情况就不一样了。早在2015年，罗森塔尔和艾森伯格就发现，在长鳍近海鱿鱼（体长30厘米，常被用于科学研究）体内，RNA编辑活动非常活跃。普通哺乳动物的RNA编辑位点可能只有几百个，但这种鱿鱼却达到5.7万个，而且都处在构建蛋白质的RNA片段（即编码区）中。鱿鱼神经元中的RNA编辑尤为多见，是其他组织内的十倍，而且着重影响到与神经系统相关的蛋白质。

在发现如此惊人的现象后，于是团队决定对其他头足类也展开研究。里斯科维奇-布劳尔（Liscovitch-Brauer）专注于研究普通乌贼、普通章鱼和双斑蛸。这三种头足类的编辑位点多达8到13个万之间。相比之下，鹦鹉螺（一种以坚硬的螺旋外壳著称的古老头足类）的编辑位点则只有1000个左右。

这一区别至关重要。鹦鹉螺是头足纲中最古老的一个亚纲，3.5-4.8亿年前与其他同类分道扬镳，而且经过这几亿年之后仍基本维持原样。它们的大脑十分简单，不具备任何惊人的本领，并基本不存在RNA编辑。与此同时，其他头足类——蛸亚纲——就开始大量动用RNA编辑，同时进化出复杂的脑部，以及令人称奇的行为。这难道是巧合？

里斯科维奇-布劳尔还发现，蛸亚纲动物有1000个共享的RNA编辑位点，而人类和其他哺乳动物只有25个左右。这些位点经历了几亿年的进化而保存至今。“这很有说服力，证明这些编辑与基因组密不可分，你要是推翻这个RNA编辑网络，就会造成某种程度的破坏。”加州大学伯克利分校的丹尼尔·罗克萨尔（Daniel Rokhsar）说（罗克萨尔未参与该研究）。

确实，这些编辑要是无关紧要，蛸亚纲也不会历经千辛万苦，将它们保留至今。为找到并编辑一个特定的RNA碱基，ADAR酶要参照周围所有的碱基。打个比方，为找到一个特定的字母A，它得对照段落中所有的单词。

可是，这种行为也是有代价的。罗森塔尔估计，编辑位点会将23%到41%的基因隔离起来。这些位点必须基本不变，否则的话编辑酶就找不到目标。但这也的结果是，章鱼和鱿鱼基因组的进化就比其他动物来得要慢。以灵活多变著称的它们，基因组却是严重僵化的。

章鱼哥

罗森塔尔认为，它们虽牺牲了进化上的灵活性，但换来了另一种灵活性。通过修改RNA而不是DNA，它们也许更善于随机应变。打个比方，同一个基因，它们可以制造出适应高温环境的蛋白质，也可以制造出适应低温的蛋白质。

而且，这种变化是暂时的，可随时开关或切换。罗森塔尔很想知道，它们在这个过程中能进行学习并且在基因层面上将这种经验传递下去。“我一直在研究鱿鱼的ADAR酶，及其在细胞中的分布。”他说。“其分布之悬殊很不可思议。比如，一个神经元中存在大量的ADAR酶，但隔壁神经元就完全没有。”

“这项研究显示，RNA编辑与重编码对蛸亚纲的脑部（它们有着无脊椎动物中最大的脑）运作至关重要，”芝加哥大学的嘉莉·阿尔贝丁（Carrie Albertin）说，她参与了首个头足纲动物基因组的测序工作。“通过对比脊椎动物与头足纲动物的脑，我们可以理解大型神经系统的构成。”

“这是个非常有趣的现象，但我们不清楚为什么需要这等规模的RNA编辑，”密歇根大学的张建之说。“我们不清楚它跟行为之间有无关系；人类脑部复杂、行为也复杂，但RNA编辑在人类中非常罕见。”我们不但想知道蛸亚纲有何特殊之处——为何只有它选择了大范围的RNA编辑；还想知道，为何其他动物没有走上同样的道路。

截至目前，团队已经找到很多相关性，虽很有说服力，但毕竟只是相关性。下一步，罗森塔尔想设法修改头足纲动物的基因。如果一切顺利，他将使ADAR酶失效，从而阻止RNA编辑过程，看会出现何种结果。

翻译：雁行

来源：The Atlantic

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