Учёные обнаружили у кальмаров необычную способность изменять работу тысяч белков без изменения ДНК
Кальмары обладают необычной способностью изменять свойства тысяч белков в своих клетках без изменения ДНК. Американские исследователи обнаружили почти 8000 участков таких изменений, затрагивающих более 2000 белков. Открытие показало, что головоногие моллюски используют редактирование РНК гораздо активнее большинства других животных, что позволяет им создавать множество вариантов белков на основе неизменной генетической информации.
Исследование провели специалисты Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Учёные изучили длиннопёрого прибрежного кальмара (Doryteuthis pealeii), чтобы выяснить, как редактирование РНК влияет на состав и работу белков в его организме. Особое внимание они уделили зрительным долям мозга и жабрам, сравнив особенности этого процесса в нервной системе и органах дыхания.
В клетках живых организмов информация, содержащаяся в ДНК, используется для создания молекул РНК, на основе которых затем синтезируются белки. Однако перед началом синтеза информация в РНК может подвергаться изменениям. Один из таких механизмов связан с ферментами ADAR, которые преобразуют аденозин в инозин. При считывании РНК клетка воспринимает инозин как гуанозин, поэтому некоторые изменения способны приводить к замене аминокислот в готовом белке.
Этот механизм встречается у многих животных, включая человека, однако у кальмаров, осьминогов и каракатиц он распространён особенно широко. Головоногие способны изменять значительную часть РНК, кодирующей белки, благодаря чему один и тот же ген может использоваться для создания белковых молекул с различными свойствами.
Ранее было известно, что редактирование РНК у головоногих особенно активно в нервной системе и может участвовать в приспособлении к изменениям окружающей среды, включая колебания температуры. Однако исследователи не располагали полной картиной того, насколько сильно такие изменения влияют на белки и работу клеток.
Для изучения этого вопроса учёные проанализировали белковый состав зрительных долей мозга и жабр кальмара. Они обнаружили почти 8000 участков изменений, затрагивающих более 2000 различных белков. Особенно высокая активность редактирования наблюдалась в зрительных долях, которые играют важную роль в обработке визуальной информации и управлении поведением животного.
Исследование показало, что изменения РНК могут заметно влиять на свойства белков. В зависимости от конкретного участка они способны изменять активность молекул, их устойчивость, расположение внутри клетки и взаимодействие с другими белками. В некоторых случаях последствия затрагивают работу клеточных структур, необходимых для поддержания нормального обмена веществ.
Особый интерес вызвали изменения белков, связанных с митохондриями. Эти структуры обеспечивают клетки энергией и участвуют в регулировании множества биологических процессов. Учёные обнаружили, что редактирование РНК способно влиять на белки, контролирующие состояние митохондрий, а следовательно, и на механизмы поддержания их работоспособности.
Другие обнаруженные изменения затрагивали белки, участвующие в энергетическом обмене и работе нервной системы. Исследователи предполагают, что подобная гибкость может помогать кальмарам регулировать клеточные процессы в зависимости от физиологических потребностей и условий окружающей среды. Однако конкретные преимущества большинства выявленных изменений ещё предстоит установить.
Неожиданным результатом стало обнаружение около 5000 коротких белковых последовательностей, отсутствовавших в использованных справочных базах данных. Это указывает на то, что реальное разнообразие белков у головоногих может быть значительно шире, чем следует из анализа одной только ДНК.
Учёные также оценили теоретическое количество комбинаций, которые могут возникать при редактировании РНК. По их расчётам, оно может достигать \(10^{248}\) — числа, многократно превышающего предполагаемое количество атомов в наблюдаемой Вселенной. Однако это лишь математическая оценка потенциального разнообразия. Она не означает, что организм кальмара действительно производит такое количество вариантов белков.
Главная особенность этого механизма заключается в том, что изменения происходят на уровне РНК и не затрагивают исходную последовательность ДНК. Благодаря этому клетки могут получать различные варианты белков без необходимости закреплять соответствующие изменения в геноме. При этом далеко не все такие изменения обязательно полезны, а их влияние на организм зависит от конкретных белков и условий.
Исследователи считают, что столь развитое редактирование РНК может быть связано с эволюцией сложной нервной системы головоногих. Кальмары и осьминоги отличаются необычно высокими для беспозвоночных когнитивными способностями, однако прямая связь между масштабами редактирования РНК и интеллектом этих животных пока не доказана.
Полученные результаты раскрывают дополнительный уровень регулирования работы клеток, который невозможно полностью оценить при изучении одной только ДНК. Дальнейшие исследования помогут установить, какие изменения действительно используются организмом, как они регулируются и какую роль играют в приспособлении головоногих к окружающей среде.
Результаты исследования в научном журнале Cell.