Octopussen herontwerpen hun hersenen als ze het koud krijgen

Octopussen behoren tot de slimste dieren op aarde, en enkele van de vreemdste. Ze hebben hetzelfde aantal neuronen als honden, maar meer dan de helft van deze cellen is verdeeld over de acht armen van de gladde koppotigen in plaats van in de centrale hersenen.

Zoals onderzoekers op 8 juni meldden cel, De neurologische anomalie wordt vanaf daar alleen maar vreemder. En ze ontdekten dat octopussen het vermogen hebben om hun neuronen te hercoderen Als reactie op veranderingen in temperatuur produceren deze cellen verschillende eiwitten. Net als mensen die hun kleding aanpassen aan het weer buiten, bewerken octopussen hun RNA, een genetisch molecuul dat DNA-instructies bevat voor het produceren van eiwitten – de werkende eenheden van cellen. Onderzoekers geloven dat deze “hersenaanpassingen” octopussen helpen zich aan te passen aan hitte of kou wanneer de seizoenen veranderen. Ze doen dit “in buitengewone mate”, zegt co-auteur Joshua Rosenthal, een bioloog aan het Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massachusetts.

RNA-modificatie vindt plaats wanneer een kracht van buitenaf bepaalde enzymen in de cellen van het lichaam activeert, die vervolgens chemische veranderingen in het RNA aanbrengen. Afhankelijk van de veranderingen produceren de cellen verschillende vormen of isovormen van de eiwitten. Omdat RNA een voorbijgaand molecuul is, zullen eventuele wijzigingen in de genetische informatie die het bevat niet permanent zijn – een eigenschap die het in theorie tot een krachtig hulpmiddel maakt om zich onderweg aan te passen aan veranderende omgevingsomstandigheden.

Het modificeren van RNA bij mensen beïnvloedt de eiwitproductie in minder dan 3 procent van de genen, terwijl Rosenthal en collega’s eerder ontdekten dat Alle geavanceerde soorten koppotigenDat wil zeggen, alle koppotigen behalve Nautilus kunnen de meeste neuronale eiwitten hercoderen.

De onderzoekers wilden dit eerdere werk voortzetten om te zien welke factoren RNA-modificatie in koppotigen zouden kunnen veroorzaken. Ze beginnen met temperatuurverandering omdat het een directe omgevingsconditie is die per seizoen of zelfs dagelijks fluctueert.

Wetenschappers verzamelden voor het eerst tientallen wilde Californische octopussen met twee stippen (octopus bimaculoides), een soort waarvan het genoom al is gesequenced. Ze lieten de dieren wennen aan tanks met warm of koud water. Na enkele weken onderzochten de onderzoekers ongeveer 60.000 eerder geïdentificeerde plaatsen in het genoom van de dieren waar enzymen RNA modificeren. Ze ontdekten dat ongeveer een derde van die locaties was veranderd en dat die veranderingen snel plaatsvonden, op een schaal van uren tot enkele dagen. “We hadden verwacht hier en daar enkele sites te zien die veranderden, maar nee, dat was iets heel mondiaals”, zegt co-senior auteur Eli Eisenberg, een natuurkundige aan de Universiteit van Tel Aviv wiens onderzoek zich richt op RNA.

Het team ontdekte dat bijna alle veranderingen te wijten waren aan de kou. Onder die veranderingen waren die welke coderen voor specifieke klassen van eiwitten die betrokken zijn bij celmembranen, synapsfuncties (die zenuwsignalen doorgeven), autofagie (geprogrammeerde celdood) en calciumbinding (die verschillende rollen speelt binnen neuronen). De onderzoekers bevestigden dat de isovormen gecreëerd door het gemodificeerde RNA van functie veranderden, maar “we weten nog niet hoe deze duizenden veranderingen, of sommige ervan, aanpassing bevorderen”, zegt Eisenberg. “Het begrijpen van de wereldwijde impact van alle veranderingen in de ceremonie wordt overgelaten aan toekomstige studies.”

Ten slotte verzamelde het team ook wilde octopussen, waaronder een andere nauw verwante soort, Verrill’s two-spotted octopus (Octopus Bimaculatus) – in de zomer en winter. De onderzoekers ontdekten dat deze individuen dezelfde temperatuur-tracking RNA-gerelateerde veranderingen vertoonden als de Californische two-spot octopussen die ze in het laboratorium hebben getest.

In tegenstelling tot mensen en andere zoogdieren kunnen octopussen hun eigen temperatuur niet regelen. De onderzoekers vermoeden daarom dat RNA-editing een rol speelt bij het beschermen van ongewervelde neuronen tegen temperatuurschommelingen. “Een organisme kiest ervoor om verschillende isovormen uit te drukken, en elk is beter in zijn eigen situatie”, zegt Eisenberg. “Er is zelfs geen enkel voorbeeld hiervan bij zoogdieren.”

Heather Hundley, een bioloog aan de Indiana University Bloomington die niet betrokken was bij het onderzoek, noemde de nieuwe paper ‘een echte krachtpatser’.

“Dit werk draagt ​​bij aan de groeiende hoeveelheid gegevens die aantonen dat RNA-bewerking dynamisch kan worden gereguleerd”, zegt ze. “Terwijl eerder werk zich voornamelijk richtte op regulatie tijdens ontwikkeling en ziekte, toont dit werk aan dat RNA-bewerking kan dienen als een moleculaire manier om de eiwitfunctie aan te passen als reactie op omgevingsveranderingen in temperatuur.”

Rosenthal, Eisenberg en hun collega’s zijn van plan dit soort onderzoek voort te zetten door aanvullende factoren te onderzoeken die kunnen leiden tot veranderingen in de eiwitproductie, zoals pH- en zuurstofniveaus of de sociale omgeving. “Hoe breed is dit aanpassingsvermogen door middel van RNA-bewerking?” zegt Rosenthal. “Er is veel interessant werk te doen.”