章魚哥為什麼能這麼賊？科學家從基因層面找到了解釋

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章魚是一種神奇的動物，它有三個心臟，一個鸚鵡般的喙，以及八條嘗遍天下、我行我素的腿。

章魚能噴射墨汁，施展「縮身術」；它會柔骨功，能穿過最狹小的縫隙（好吧，其實章魚全身上下基本沒骨頭）；它還能迅速改變身體顏色和質感，融入環境，偽裝自己。

它們有著驚人的智力，能揮舞工具，能解決問題，還能破壞儀器設備。正如自然學家塞·蒙哥馬利（Sy Montgomery）所說，「論怪異程度，沒有哪個科幻異形能和章魚相比」。不過，章魚的身體還不是最怪誕的，它的基因才叫稀奇呢。

美國海洋生物學實驗室的科學家約書亞·羅森塔爾（Joshua Rosenthal）和特拉維夫大學的伊萊·艾森柏格（Eli Eisenberg）領導了一個團隊，證明章魚和它的親戚——頭足綱動物——會編輯自己的RNA，這在動物王國中十分罕見。它們居然可以微調基因所編碼的信息，但是又不改變基因本身。而且，修改得比其他任何動物都要厲害。

「在最近的一場會議上，他們展示了這一研究，讓所有人都大吃一驚。」威斯達研究所（Wistar Institute）的基因科學家西倉和子說。「在小鼠和人類中，RNA編輯都非常有限。章魚就不一樣了。不知它高度發達的大腦是否跟這有關。」

看上去的確很有關係。羅森塔爾和艾森伯格發現，在頭足類動物的神經元中，RNA編輯隨處可見，被編輯的都是編碼神經系統的重要基因。而且在頭足綱動物中，只有智力較高的蛸亞綱動物——章魚、魷魚、墨魚——才會進行RNA編輯。相對愚笨的鸚鵡螺亞綱就不會。「人類不會，猴子也不會，只有蛸亞綱會。」

鸚鵡螺

那麼，RNA編輯是怎樣進行的呢？基因以DNA形式編碼指令，基本單位是四種鹼基，分別用字母A、C、G、T表示。這些指令要發揮作用，DNA首先得轉錄為RNA，其鹼基構成與DNA基本類似。RNA繼而被翻譯為蛋白質——細胞中肩負一切重要工作的分子機器。因此，DNA儲存信息，RNA傳遞信息，蛋白質則是信息的表達結果。

這是最簡單的情況。然而，RNA在被翻譯成蛋白質前，常會被修改——比如有一大段被切除，剩餘片段又被接到一塊兒。有時改動比較輕微，比如一個A被換成了I（功能上與G相近）。這就是RNA編輯。它由RNA腺苷脫氨酶（ADAR）完成，這種酶可以識別特定RNA序列，將A替換成I。

但生物最自身RNA進行微編輯是為了什麼？到目前為止這還是個未解之謎。從理論上講，這樣可以在不改變DNA指令的情況下，變更蛋白質的性質。但從實際情況看，這種重編碼過程十分罕見。只有大約3%的人類基因會出現這樣的編輯，而且通常僅限於剪切和丟棄RNA片段。就現實情況來看，其適應性似乎不是很強。

在章魚等頭足類動物中，情況就不一樣了。早在2015年，羅森塔爾和艾森伯格就發現，在長鰭近海魷魚（體長30厘米，常被用於科學研究）體內，RNA編輯活動非常活躍。普通哺乳動物的RNA編輯位點可能只有幾百個，但這種魷魚卻達到5.7萬個，而且都處在構建蛋白質的RNA片段（即編碼區）中。魷魚神經元中的RNA編輯尤為多見，是其他組織內的十倍，而且著重影響到與神經系統相關的蛋白質。

在發現如此驚人的現象後，於是團隊決定對其他頭足類也展開研究。里斯科維奇-布勞爾（Liscovitch-Brauer）專註於研究普通烏賊、普通章魚和雙斑蛸。這三種頭足類的編輯位點多達8到13個萬之間。相比之下，鸚鵡螺（一種以堅硬的螺旋外殼著稱的古老頭足類）的編輯位點則只有1000個左右。

這一區別至關重要。鸚鵡螺是頭足綱中最古老的一個亞綱，3.5-4.8億年前與其他同類分道揚鑣，而且經過這幾億年之後仍基本維持原樣。它們的大腦十分簡單，不具備任何驚人的本領，並基本不存在RNA編輯。與此同時，其他頭足類——蛸亞綱——就開始大量動用RNA編輯，同時進化出複雜的腦部，以及令人稱奇的行為。這難道是巧合？

里斯科維奇-布勞爾還發現，蛸亞綱動物有1000個共享的RNA編輯位點，而人類和其他哺乳動物只有25個左右。這些位點經歷了幾億年的進化而保存至今。「這很有說服力，證明這些編輯與基因組密不可分，你要是推翻這個RNA編輯網路，就會造成某種程度的破壞。」加州大學伯克利分校的丹尼爾·羅克薩爾（Daniel Rokhsar）說（羅克薩爾未參與該研究）。

確實，這些編輯要是無關緊要，蛸亞綱也不會歷經千辛萬苦，將它們保留至今。為找到並編輯一個特定的RNA鹼基，ADAR酶要參照周圍所有的鹼基。打個比方，為找到一個特定的字母A，它得對照段落中所有的單詞。

可是，這種行為也是有代價的。羅森塔爾估計，編輯位點會將23%到41%的基因隔離起來。這些位點必須基本不變，否則的話編輯酶就找不到目標。但這也的結果是，章魚和魷魚基因組的進化就比其他動物來得要慢。以靈活多變著稱的它們，基因組卻是嚴重僵化的。

羅森塔爾認為，它們雖犧牲了進化上的靈活性，但換來了另一種靈活性。通過修改RNA而不是DNA，它們也許更善於隨機應變。打個比方，同一個基因，它們可以製造出適應高溫環境的蛋白質，也可以製造出適應低溫的蛋白質。

而且，這種變化是暫時的，可隨時開關或切換。羅森塔爾很想知道，它們在這個過程中能進行學習並且在基因層面上將這種經驗傳遞下去。「我一直在研究魷魚的ADAR酶，及其在細胞中的分布。」他說。「其分布之懸殊很不可思議。比如，一個神經元中存在大量的ADAR酶，但隔壁神經元就完全沒有。」

「這項研究顯示，RNA編輯與重編碼對蛸亞綱的腦部（它們有著無脊椎動物中最大的腦）運作至關重要，」芝加哥大學的嘉莉·阿爾貝丁（Carrie Albertin）說，她參與了首個頭足綱動物基因組的測序工作。「通過對比脊椎動物與頭足綱動物的腦，我們可以理解大型神經系統的構成。」

「這是個非常有趣的現象，但我們不清楚為什麼需要這等規模的RNA編輯，」密歇根大學的張建之說。「我們不清楚它跟行為之間有無關係；人類腦部複雜、行為也複雜，但RNA編輯在人類中非常罕見。」我們不但想知道蛸亞綱有何特殊之處——為何只有它選擇了大範圍的RNA編輯；還想知道，為何其他動物沒有走上同樣的道路。

截至目前，團隊已經找到很多相關性，雖很有說服力，但畢竟只是相關性。下一步，羅森塔爾想設法修改頭足綱動物的基因。如果一切順利，他將使ADAR酶失效，從而阻止RNA編輯過程，看會出現何種結果。

翻譯：雁行

來源：The Atlantic

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