У осьминогов есть молекулярная особенность, увеличивающая их мозг в 100 раз 

Фото из открытых источников

Ученые, изучающие осьминогов, сделали неожиданное открытие: выяснилось, что у некоторых из самых разумных видов животных обнаружен структурный разрыв в рибосомальной РНК, ранее никогда не встречавшийся у других животных. Открытие настолько неожиданно, что поначалу его посчитали ошибкой. Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology.

Этот переломный момент, отнюдь не являющийся препятствием, похоже, наделяет осьминогов сверхспособностями в синтезе белка. Пока рано говорить, является ли это ключом к повышенному интеллекту осьминогов, но это может быть шагом на пути к пониманию того, как им удается развивать такие обширные и сложные нервные системы на протяжении всей жизни.

Осьминоги — это, пожалуй, самые инопланетные существа на Земле. Обладая высоким интеллектом, часть их мозга имеет форму пончика между глазами (отверстие предназначено для прохождения пищевода). Однако, не довольствуясь одним мозгом, они также имеют «мини-мозги» — скопления нервных волокон вдоль своих восьми щупалец.

Эта удивительно сложная нервная система значительно расширяется на протяжении всей жизни. У человека размер мозга увеличивается примерно в четыре раза от рождения до взрослого возраста. Мозг осьминога, напротив, увеличивается в 100 раз.

Может ли такое стремительное расширение ареала объяснить, почему некоторые виды так умны? И если да, то какие молекулярные механизмы необходимы для поддержания этого уровня интеллекта?

Группа ученых проводила стандартную процедуру выделения РНК из тканей осьминога, когда заметила нечто странное. Проведя электрофорез образцов, они обнаружили, что 28S рибосомальная РНК (рРНК) выглядела так, будто она распалась на две части.

«Разрыв был совершенно неожиданным!» — сказала автор исследования Эми Ли из Гарвардского университета. «Рибосомальная РНК обычно невероятно консервативна, и в наших первоначальных экспериментах мы даже подумали, что, должно быть, допустили ошибку. Дальнейший анализ показал, что это не ошибка, а специфический для осьминога разрыв последовательности между нуклеотидами G4322/C4323 в спирали 88 (H88). Мы обнаружили и другие виды расщепления РНК у животных, таких как голый землекоп, но никогда прежде не в этом конкретном месте разрыва».

Обнаруженное изменение было выявлено в широком спектре тканей осьминогов на разных стадиях развития. Однако разрыв H88 у осьминогов был специфичен для данной линии, что указывает на то, что он возник только у осьминогов рода Incirrate, которые в основном обитают на мелководье.

Осьминоги-цирраты в основном обитают в глубоководных районах и включают в себя таких известных персонажей, как осьминог Дамбо, у которого не был обнаружен разрыв H88. Любопытно, что осьминоги-инцирраты, как известно, умнее своих глубоководных родственников (хотя следует отметить, что, несмотря на забавное совпадение, Дамбо получил свое название из-за ушей).

«Поэтому было очень интересно осознать, что это не экспериментальный артефакт, а нечто важное, что природа создала в процессе эволюции», — сказал Ли.

РНК, или рибонуклеиновая кислота, — это молекула, которая позволяет превращать инструкции, записанные в наших генах, в белки. Сначала ДНК транскрибируется в матричную РНК (мРНК), которая переносит инструкцию к рибосоме, считывающей сообщение по три буквы за раз. Затем соответствующие транспортные РНК (тРНК) доставляют аминокислоты, необходимые для построения белка.

Итак, как же новый для науки разрыв РНК влияет на способность организма к синтезу белка? Исследователи очень хотели это выяснить.

Чтобы это выяснить, они провели ряд экспериментов, чтобы проверить, как ведут себя рибосомы осьминога, кальмара и человека при подаче мРНК, содержащей измененное основание инозина. Это основание выделяется тем, что оно отличается от обычных четырех оснований, встречающихся в РНК: аденина, гуанина, цитозина и урацила. 

Идея заключалась в том, чтобы создать некоторую неоднозначность в переводе, поскольку инозин может считываться и соединяться с другими основаниями несколькими способами, и это сработало.

Рибосомы осьминога были гораздо более разборчивы в отношении того, какие тРНК они принимали и отбрасывали при синтезе белков. Рибосомы кальмара, с другой стороны, демонстрировали «неразборчивое связывание тРНК», будучи менее разборчивыми в отношении того, что они принимали, и в результате получали белки, которые с большей вероятностью слипались (что говорит об их невысокой стабильности). Человеческие рибосомы вообще плохо справляются с инозином и, как правило, просто останавливаются.

Чтобы проверить, действительно ли именно этот разрыв вызывает такое различие, они затем внедрили ту же самую особенность в бактериальные рибосомы. И действительно, они тоже продемонстрировали повышенную специфичность синтеза белка.

Эта специфичность становится сверхспособностью в контексте того, что головоногие моллюски, такие как осьминоги, известны своей способностью к масштабному редактированию мРНК, что увеличивает потенциальное разнообразие производимых ими белков. Наличие таких высокоизбирательных рибосом предотвращает превращение всех этих инноваций в молекулярный хаос.

Именно это сочетание факторов может объяснить, как осьминоги в процессе эволюции развили столь сложную нервную систему, которая развивается на протяжении всей их жизни.

«У осьминогов наблюдается колоссальное увеличение количества развивающихся нейронов», — говорит Ли. «Более точный синтез белка может быть адаптацией, которая помогает поддерживать эту сложную нервную систему. Мы любим подходить к неожиданным открытиям с открытым умом и следовать за научным прогрессом. В данном случае это привело нас к открытию того, что разрыв оказал удивительно важное влияние на точность синтеза белков осьминогом! Осьминоги всегда преподносят новые сюрпризы».