Редактирование РНК помогает осьминогам адаптироваться к холоду

Одним из механизмов приспособления к окружающей среде является редактирование РНК. Новая опубликованная в Cell работа посвящена роли этого явления в температурных адаптациях осьминогов.

Молекулы мРНК представляют собой удобную мишень для регуляции. Так, многие исследования выявили изменения в экспрессии, локализации или сплайсинге РНК в ответ на температуру изменения температуры. Тем не менее, в живых организмах редактирование мРНК для модификации белковых последовательностей используется довольно ограниченно. Ярким исключением здесь являются головоногие моллюски — предыдущие работы показывают, что редактирование мРНК в их клетках происходит с высокой частотой (например, 60 % мРНК в мозге каракатиц имеют хотя бы один сайт редактирования).

В качестве объекта исследования авторы выбрали осьминогов Octopus bimaculoides. Их природные условия обитания, подразумевающие достаточно большой сезонный перепад температур, и хорошая изученность генома и транскриптома (в том числе наличие карты сайтов редактирования в нейрональном транскриптоме) делают их удобным объектом для подобных исследований.

Диких особей O. bimaculoides содержали в аквариуме, где постоянно поддерживали 13°C или 22°C, в течение 12–24 дней, предварительно позволив им постепенно акклиматизироваться к этой температуре. Затем исследователи извлекали звездчатые ганглии (в этих моторных центрах осьминогов выявлен высокий уровень редактирования РНК) и анализировали их транскриптом. Исследование показало, что около 33 % всех сайтов редактирования мРНК чувствительны к температуре. При этом большая часть температурно-зависимого редактирования происходила на холоде.

Дальнейший анализ был посвящен тому, как термочувствительные сайты редактирования транскриптов распределены по транскриптому. Оказалось, что транскрипты с активными сайтами редактирования (≥10 % изменений под влиянием холода) кодировали преимущественно синаптические белки, кальций-связывающие белки и белки-участники аутофагии. Это указывает на роль термочувствительного редактирования РНК в регуляции нейрофизиологических функций.

В частности, редактированию подвергались мРНК, кодирующие кинезин-1 и синаптотагмин. Первый из этих белков участвует в аксональном транспорте, и его редактирование влияет на два ключевых параметра этого процесса — скорости и дальности движения кинезина по микротрубочкам. Оба эти показателя были ниже у отредактированного варианта белка.

Редактирование синаптотагмина влияло на его способность связывать ионы кальция — это регулирует кальцийзависимый выброс нейромедиаторов и тем самым влияет на синаптическую передачу. Аффинность синаптотагмина к кальцию также снижалась при редактировании кодирующей его мРНК.

Чтобы установить механизм, регулирующий температурную чувствительность редактирования РНК, исследователи проверили три гипотезы. Первая из них основана на предположении, что экспрессия аденозиндезаминаз (ADAR), осуществляющих замену аденина на инозин (A-to-I редактирование), зависит от температуры. Это предположение, однако, не подтвердилось — профиль экспрессии ADAR или их паралогов в обеих группах осьминогов был примерно одинаковым.   

Другая гипотеза объясняет термочувствительность редактирования через стабильность двуцепочеченых структур РНК, с помощью которых ферменты ADAR распознают свои мишени. Моделирование in silico показало, что стабильность дцРНК возрастает при понижении температуры, что, в свою очередь, должно способствовать более активному узнаванию этих РНК и, как следствие, повышать частоту редактирования.

 Кроме того, нельзя исключать возможность температурно-зависимой экспрессии белков-регуляторов активности ADAR. Анализ этого предположения осложняется тем, что регуляторы ADAR в нервной системе осьминогов пока не изучены. Авторы работы опирались на данные о белках, взаимодействующих с ADAR в организме человека, и измеряли экспрессию их гомологов у осьминогов. Из 310 белков 65 увеличивали свою экспрессию при более низких температурах, и только 9 — в тепле. Это позволяет предположить, что у осьминогов и в самом деле реализован подобный механизм регуляции, однако требует более тщательного исследования.   

По всей видимости, обнаруженное редактирование РНК ключевых нейрональных белков служит для регуляции их функциональной активности. Термочувствительность этого механизма в теории может позволить осьминогам подстроиться под условия окружающей среды, однако авторы говорят, что пока неясно, на каком именно уровне эта регуляция осуществляется. Иными словами, изменение активности нейрональных белков способно влиять как на метаболизм клеток, так и на поведение осьминога в целом.


Развитой мозг осьминогов появился благодаря микроРНК