Кальмары оказались ещё более «инопланетными»: их способность изменять работу генов не имеет равных

Кальмары, осьминоги и каракатицы давно удивляют учёных своим сложным поведением и необычным устройством нервной системы. Теперь исследователи обнаружили ещё одну особенность, которая выделяет этих животных среди других обитателей Земли. Они способны изменять инструкции по производству белков в собственных клетках с такой интенсивностью, какой практически не встречается у других организмов. Причём для этого им даже не нужно менять свою ДНК.

Речь идёт о редактировании РНК — процессе, который существует и у человека, и у многих других животных. Когда клетке требуется произвести белок, она использует информацию, записанную в ДНК, для создания молекулы РНК. Та служит инструкцией, по которой собирается белок. Однако в определённых случаях клетка может изменить эту инструкцию уже после её создания.

За такие изменения отвечают специальные ферменты, известные как аденозиндезаминазы, действующие на РНК. Их работа позволяет изменять свойства белков без вмешательства в исходный генетический код.

Представить этот механизм можно на примере кулинарного рецепта. Допустим, в инструкции по приготовлению печенья указано добавить изюм, но непосредственно перед передачей рецепта повару кто-то заменяет изюм шоколадной крошкой. Исходный рецепт остаётся прежним, однако результат получается другим. Примерно так клетки могут изменять белки, сохраняя первоначальную последовательность ДНК.

У головоногих моллюсков этот механизм развит особенно сильно. Чтобы выяснить, насколько далеко простираются его возможности, группа исследователей под руководством специалистов Калифорнийского университета в Сан-Франциско изучила белки длиннопёрого прибрежного кальмара Doryteuthis pealeii.

Результаты исследования, опубликованные в научном журнале Cell, показали, что редактирование РНК влияет на гораздо большее число клеточных процессов, чем предполагалось ранее.

Учёные исследовали совокупность примерно 24 тысяч белков кальмара. Особое внимание они уделили почти восьми тысячам участков редактирования, связанных более чем с двумя тысячами различных белков. Для сравнения были выбраны две ткани: зрительная доля мозга и жабры.

Такой выбор позволил сопоставить процессы, происходящие в сложной нервной системе животного, с работой органа, основная задача которого связана с дыханием.

Зрительная доля занимает значительную часть центральной нервной системы кальмара. Она отвечает за обработку зрительной информации и реакцию на происходящее вокруг. Именно здесь исследователи обнаружили особенно частое и сложное редактирование РНК.

Авторы предполагают, что исключительные способности головоногих к изменению РНК могут быть связаны с развитием их нервной системы. Среди беспозвоночных эти животные обладают одной из самых сложных нервных систем, и обе особенности, вероятно, формировались в ходе эволюции совместно.

Однако наиболее неожиданным оказалось то, насколько разнообразными могут быть последствия редактирования.

«Мы обнаружили влияние на активность белков, их стабильность, расположение внутри клетки и даже взаимодействие с другими белками. Последствия распространяются настолько далеко, что затрагивают состояние клеточных органелл», — рассказал первый автор исследования Джек Моэн.

По его словам, изменяя инструкции РНК, по которым производятся белки, кальмары могут получать белки с различными свойствами, не внося никаких изменений в собственную ДНК.

Ранее было известно, что подобное редактирование способно влиять на передачу сигналов в центральной нервной системе. Предполагалось также, что оно может помогать животным реагировать на изменения окружающей среды или физиологического состояния, например на колебания температуры.

Новое исследование показало, что последствия гораздо шире.

В частности, изменённые белки могут перемещаться внутри клетки. Некоторые из них меняют своё расположение, переходя из периферических областей ближе к ядру. Это важно, поскольку функции белка зависят не только от его структуры, но и от того, где именно он находится и с какими клеточными компонентами взаимодействует.

Кроме того, исследователи обнаружили признаки своеобразной саморегуляции. Редактирование затрагивает в том числе белки самих ферментов, отвечающих за изменение РНК. Иными словами, молекулярный механизм способен изменять собственные компоненты, потенциально регулируя свою дальнейшую работу.

Ещё одним неожиданным результатом стало обнаружение около пяти тысяч коротких белков, отсутствовавших как в эталонном наборе белков кальмара, так и в базе данных Swiss-Prot, содержащей сведения о белках примерно 14 тысяч организмов.

Это указывает на возможность возникновения ранее неизвестных белковых последовательностей благодаря редактированию РНК.

Особенно интересными оказались изменения, затрагивающие митохондрии — клеточные структуры, отвечающие за производство энергии.

Исследователи установили, что редактирование РНК может влиять на работу этих органелл. Более того, некоторые изменения потенциально делают митохондрии кальмаров похожими по свойствам на человеческие: более устойчивыми к условиям окружающей среды и лучше приспособленными к собственному обновлению.

Подобные изменения могут иметь большое значение для клеток, поскольку от состояния митохондрий зависит их энергетическое обеспечение.

Другой обнаруженный эффект связан с системой креатина, участвующей в энергетическом обмене. Учёные предполагают, что редактирование РНК может изменять работу этой системы, помогая кальмарам получать кратковременные всплески энергии.

Такая способность потенциально полезна при резких движениях, позволяющих уходить от опасности, а также для обеспечения сложных процессов в мозге.

Примечательно, что все эти изменения происходят благодаря точечному редактированию отдельных элементов РНК. Животному не требуется перестраивать исходную последовательность ДНК, чтобы получить белок с другими свойствами.

В этом заключается одно из ключевых преимуществ механизма. Изменения РНК могут быть временными и обратимыми, тогда как мутации ДНК способны сохраняться и передаваться потомству, в том числе вызывая нежелательные последствия.

Таким образом, кальмары получают возможность экспериментировать со свойствами собственных белков, не изменяя основной генетический код.

Но насколько велико потенциальное разнообразие таких изменений?

По расчётам исследователей, число теоретически возможных вариантов белков достигает совершенно невероятных масштабов.

Если учитывать все обнаруженные при секвенировании РНК участки, которые могут подвергаться редактированию, оценка приближается к 10²⁴⁸.

Это единица с 248 нулями — число, превосходящее предполагаемое количество атомов во Вселенной более чем на сто порядков.

Однако здесь есть принципиально важное уточнение. Речь идёт не о количестве белковых вариантов, которые действительно существуют в организме одного кальмара, а о математически возможном разнообразии сочетаний изменений.

«Эти расчёты описывают огромный потенциал разнообразия», — пояснил Моэн. Сколько таких вариантов животные действительно производят, пока неизвестно.

Остаётся открытым и другой вопрос: почему именно головоногие моллюски развили столь необычайную способность к редактированию РНК, тогда как у других животных этот механизм используется гораздо менее интенсивно?

По словам Моэна, отчасти различия связаны со строением ферментов, отвечающих за редактирование. Однако существуют и другие причины, которые исследователям ещё предстоит установить.

Полученные результаты показывают, что редактирование РНК у кальмаров — не просто способ немного изменить отдельные белки. Этот механизм затрагивает нервную систему, энергетический обмен, состояние клеточных структур и взаимодействие множества молекул.

И хотя пока неизвестно, какую долю своего колоссального молекулярного потенциала кальмары используют в действительности, исследование демонстрирует, насколько необычным путём может развиваться биологическая сложность. Эти животные получили исключительную гибкость в управлении свойствами белков, сохранив возможность оставлять собственную ДНК неизменной.