Oktopusse und Kalmare sind Meister der RNA-Bearbeitung, während sie die DNA intakt lassen.

Viele Autoren jammern, wenn ein Redakteur eine Änderung an einer Geschichte vornimmt, aber die Konsequenzen einer Änderung eines einzigen Wortes sind normalerweise nicht so schwerwiegend.

Nicht so bei genetischen Anweisungen zur Herstellung von Proteinen. Schon eine kleine Änderung kann verhindern, dass ein Protein seine Arbeit ordnungsgemäß verrichtet, mit möglicherweise tödlichen Folgen. Nur gelegentlich ist eine Veränderung von Vorteil. Es scheint am vernünftigsten, genetische Anweisungen so zu erhalten, wie sie geschrieben wurden. Es sei denn, man ist ein Oktopus.

Oktopusse sind wie Außerirdische, die unter uns leben. Sie tun viele Dinge anders als Landtiere oder sogar andere Meerestiere. Ihre flexiblen Tentakel schmecken, was sie berühren, und haben ein Eigenleben. Die Augen von Oktopussen sind farbenblind, aber ihre Haut kann Licht von selbst erkennen (SN: 6/27/15, S. 10). Sie sind Meister der Tarnung und ändern Farbe und Hauttextur, um sich in ihre Umgebung einzupassen oder Rivalen abzuschrecken. Und in einem größeren Ausmaß als bei den meisten Kreaturen senden Oktopusse das molekulare Äquivalent von roter Tinte über ihre genetischen Anweisungen, als ob ein Korrektor durchgedreht wäre.

Diese Änderungen ändern die RNA, das Molekül, das verwendet wird, um Informationen aus der genetischen Blaupause zu übersetzen, die in der DNA gespeichert ist, während die DNA unverändert bleibt.

Wissenschaftler wissen noch nicht genau, warum Oktopusse und andere schalenlose Kopffüßer wie Tintenfische und Sepien so produktive Editoren sind. Forscher debattieren darüber, ob diese Form der genetischen Bearbeitung den Kopffüßern einen evolutionären Vorteil (oder Tentakelvorsprung) verschafft hat oder ob die Bearbeitung nur ein manchmal nützlicher Unfall ist. Wissenschaftler untersuchen auch, welche Auswirkungen die RNA-Änderungen unter verschiedenen Bedingungen haben können. Einige Beweise legen nahe, dass die Bearbeitung den Kopffüßern etwas von ihrem Verstand gibt, aber auf Kosten der Zurückhaltung der Evolution in ihrer DNA kommen kann (SN: 4/29/17, S. 6).

"Diese Tiere sind einfach magisch", sagt Caroline Albertin, Entwicklungsbiologin am Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Mass. "Sie haben alle möglichen verschiedenen Lösungen, um in der Welt, aus der sie kommen, zu leben." RNA-Bearbeitung kann den Kreaturen eine Vielzahl von Lösungen für Probleme geben, die sie möglicherweise haben.

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie besagt, dass Anweisungen zum Bau eines Organismus in der DNA enthalten sind. Zellen kopieren diese Anweisungen in Boten-RNAs oder mRNA. Anschließend lesen zelluläre Maschinen namens Ribosomen die mRNAs, um Proteine zu bauen, indem sie Aminosäuren aneinander reihen. Die Zusammensetzung des Proteins entspricht in der Regel der DNA-Vorlage für die Aminosäurenfolge des Proteins.

Biochemische Modifikationen können jedoch RNA schreiben, die von den DNA-Anweisungen abweicht und einige Proteine erzeugt, die unterschiedliche Aminosäuren als die von der DNA spezifizierten enthalten.

Die Bearbeitung ändert chemisch eine der vier Bausteine der RNA oder Basen. Diese Basen werden oft mit den ersten Buchstaben ihrer Namen bezeichnet: A, C, G und U für Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil (der RNA-Version der DNA-Basis Thymin). In einem RNA-Molekül sind die Basen an Zucker gebunden. Die Adenin-Zucker-Einheit wird beispielsweise als Adenosin bezeichnet.

Es gibt viele Möglichkeiten, RNA-Buchstaben zu bearbeiten. Kopffüßer sind bei einem Typ der Bearbeitung namens Adenosin zu Inosin- oder A-to-I-Bearbeitung besonders begabt. Dies geschieht, wenn ein Enzym namens ADAR2 einem Adenosin (A) einen Stickstoff und zwei Wasserstoffatome entzieht. Diese chemische Schale verwandelt Adenosin in Inosin (I).

Ribosomen lesen Inosin statt Adenin als Guanin. Manchmal hat dieser Wechsel keine Auswirkung auf die Aminosäurenfolge des resultierenden Proteins. In einigen Fällen führt die Verwendung von G anstelle von A jedoch dazu, dass eine andere Aminosäure in das Protein eingesetzt wird. Eine solche das Protein verändernde RNA-Bearbeitung wird als RNA-Neucodierung bezeichnet.

Weichkörper-Kopffüßer haben alle ihre Arme für die RNA-Neucodierung eingesetzt, während sogar eng verwandte Arten vorsichtiger sind, wenn es darum geht, Änderungen zuzulassen, sagt Albertin. "Andere Weichtiere scheinen es nicht in demselben Umfang zu tun."

RNA-Bearbeitung beschränkt sich nicht auf Kreaturen der Tiefe. Fast jeder mehrzelluläre Organismus hat eine oder mehrere RNA-Bearbeitungs-Enzyme namens ADAR-Enzyme, kurz für "Adenosin-Deaminase, die auf RNA wirkt", sagt Joshua Rosenthal, ein molekularer Neurobiologe, ebenfalls am Marine Biological Laboratory.

Kopffüßer haben zwei ADAR-Enzyme. Auch Menschen haben Versionen davon. "In unseren Gehirnen bearbeiten wir tonnenweise RNA. Wir tun es oft", sagt Rosenthal. In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler Millionen von Stellen in menschlichen RNAs entdeckt, an denen Bearbeitungen stattfinden.

Aber diese Bearbeitungen verändern selten die Aminosäuren in einem Protein. Zum Beispiel haben Eli Eisenberg von der Universität Tel Aviv und seine Kollegen mehr als 4,6 Millionen Bearbeitungsstellen in menschlichen RNAs identifiziert. Davon recodieren nur 1.517 Proteine, wie die Forscher im letzten Jahr in Nature Communications berichteten. Von diesen recodierenden Stellen werden bis zu 835 mit anderen Säugetieren geteilt, was darauf hindeutet, dass evolutionäre Kräfte die Bearbeitung an diesen Stellen erhalten haben.

Bei einer häufigen Form der RNA-Bearbeitung wird ein Adenosin durch eine Reaktion, die eine Aminogruppe entfernt und durch ein Sauerstoffatom ersetzt (Pfeile), zu einem Inosin. Die Illustration zeigt ein ADAR-Enzym, das an eine doppelsträngige RNA im "dsRNA-Bindungsbereich" bindet. Die Region des Enzyms, die die Reaktion auslösen wird, das "Deaminase-Domäne", positioniert sich in der Nähe des Adenosins, das zu einem Inosin wird.

Cephalopoden bringen die RNA-Neucodierung auf ein ganz neues Niveau, sagt Albertin. Der Rosenthal, Eisenberg und Kollegen zufolge haben Langflossen-Tintenfische (Doryteuthis pealeii) 57.108 Recodierungsstellen. Seitdem haben die Forscher mehrere Arten von Tintenfischen, Kraken und Sepien untersucht und jedes Mal Zehntausende von recodierenden Stellen entdeckt.

Weichkörper-Cephalopoden haben möglicherweise mehr Bearbeitungsmöglichkeiten als andere Tiere, weil sich zumindest eines der ADAR-Enzyme, ADAR2, im Zellkern befindet. Die meisten Tiere bearbeiten RNAs im Kern - dem Kompartiment, in dem DNA gespeichert und in RNA kopiert wird - bevor sie die Botschaften verschicken, um sich mit Ribosomen zu treffen. Aber Cephalopoden haben auch die Enzyme im Zytosol, dem geleeartigen Inneren der Zellen, entdeckt Rosenthal und Kollegen (SN: 4/25/20, S. 10).

Dass sich Bearbeitungsenzyme an zwei Orten befinden, erklärt nicht vollständig, warum die RNA-Neucodierung von Cephalopoden bisher die von Menschen und anderen Tieren übertrifft. Noch erklärt es die Muster der Bearbeitung, die Wissenschaftler aufgedeckt haben.

Bearbeitung ist keine alles oder nichts Proposition. Selten werden alle Kopien einer RNA in einer Zelle bearbeitet. Es ist viel häufiger, dass ein bestimmter Prozentsatz von RNAs bearbeitet wird, während der Rest ihre Originalinformationen behält. Der Prozentsatz oder die Häufigkeit der Bearbeitung kann von RNA zu RNA oder zwischen Zellen oder Geweben stark variieren und kann von der Wassertemperatur oder anderen Bedingungen abhängen. Bei Langflossen-Tintenfischen wurden die meisten RNA-Bearbeitungsstellen laut Albertin und Kollegen im letzten Jahr in Nature Communications zwei Prozent oder weniger bearbeitet. Die Forscher fanden jedoch auch mehr als 205.000 Standorte, die 25 Prozent oder mehr bearbeitet wurden.

In den meisten Bereichen des Körpers eines Cephalopoden beeinflusst RNA-Bearbeitung selten die Zusammensetzung von Proteinen. Aber im Nervensystem ist es eine andere Geschichte. Im Nervensystem von Langflossen-Tintenfischen recodieren 70 Prozent der Bearbeitungen in proteinproduzierenden RNAs Proteine. Und RNAs im Nervensystem des Kalifornischen Zwei-Punkt-Oktopus (Octopus bimaculoides) werden drei- bis sechsmal häufiger recodiert als in anderen Organen oder Geweben.

Einige mRNAs haben mehrere Bearbeitungsstellen, die Aminosäuren in den Proteinen, die von den mRNAs codiert werden, verändern. Im Nervensystem des Langflossen-Tintenfisches haben zum Beispiel 27 Prozent der mRNAs drei oder mehr Recodierungsstellen. Einige enthalten 10 oder mehr solcher Stellen. Kombinationen dieser Bearbeitungsstellen könnten dazu führen, dass in einer Zelle mehrere Versionen eines Proteins hergestellt werden.

Eine breite Auswahl an Proteinen zu haben, könnte Cephalopoden "mehr Flexibilität bei der Reaktion auf die Umwelt geben", sagt Albertin, "oder Ihnen eine Vielzahl von Lösungen für das Problem vor Ihnen geben". In der RNA-Bearbeitung im Nervensystem könnte zur Flexibilität im Denken beitragen, was erklären könnte, warum Oktopoden Käfige öffnen oder Werkzeuge benutzen können, glauben einige Forscher. Bearbeitung könnte eine einfache Möglichkeit sein, eine oder mehrere Versionen eines Proteins im Nervensystem und verschiedene im Rest des Körpers zu erstellen, sagt Albertin.

Wenn Menschen und andere Wirbeltiere verschiedene Versionen eines Proteins haben, stammen diese oft aus der Verdopplung, Verdreifachung oder Vervielfältigung von Genen. Das Verdoppeln, Verdreifachen oder Vervielfältigen von Genen "führt zu einem ganzen genetischen Spielplatz, auf dem Gene aussteigen und verschiedene Funktionen ausführen können", sagt Albertin. Aber Cephalopoden neigen dazu, keine Gene zu duplizieren. Stattdessen kommen ihre Innovationen aus der Bearbeitung.

Und es gibt viel Raum für Innovation. In Tintenfischen haben mRNAs zum Aufbau des Alpha-Spectrin-Proteins 242 Recodierungsstellen. Alle Kombinationen von bearbeiteten und unbearbeiteten Stellen könnten theoretisch bis zu 7 x 1072 Formen des Proteins erzeugen, berichten Rosenthal und Eisenberg in der diesjährigen Ausgabe des Annual Review of Animal Biosciences. "Um diese Zahl ins Verhältnis zu setzen", schrieben die Forscher, "genügt es zu sagen, dass sie die Anzahl aller Alpha-Spectrin-Moleküle (oder, um genau zu sein, aller Proteinmoleküle) übertrifft, die in allen Zellen aller Tintenfische, die jemals auf unserem Planeten seit Anbeginn der Zeit gelebt haben, hergestellt worden sind."

Dieses unglaubliche Maß an Komplexität wäre nur dann möglich, wenn jede Website unabhängig wäre, sagt Kavita Rangan, eine Molekularbiologin an der University of California in San Diego. Rangan hat die RNA-Umcodierung bei Kalifornischen Markt-Tintenfischen (Doryteuthis opalescens) und bei Longfin-Kalmaren untersucht. Die Wassertemperatur löst die Umcodierung von Motorproteinen namens Kinesinen aus, die Fracht innerhalb von Zellen bewegen.

Bei Longfin-Kalmaren hat Rangan herausgefunden, dass die mRNA, die Kinesin-1 produziert, 14 Umcodierungsstellen hat. Sie untersuchte mRNAs des Sehlobus - des Teils des Gehirns, der visuelle Informationen verarbeitet - und des Stellaten-Ganglions, einer Sammlung von Nerven, die an der Erzeugung der Muskelkontraktionen beteiligt sind, die die Kalmare vorwärts treiben.

Jedes Gewebe produzierte mehrere Versionen des Proteins. Aber bestimmte Stellen tendierten dazu, gemeinsam bearbeitet zu werden, berichteten Rangan und Samara Reck-Peterson, ebenfalls von der UC San Diego, im vergangenen September in einem Online-Vorabdruck auf bioRxiv.org. Ihre Daten legen nahe, dass die Bearbeitung einiger Stellen koordiniert ist und „die Idee ablehnt, dass die Bearbeitung unabhängig ist“, sagt Rangan. „Die Häufigkeit der Kombinationen, die wir sehen, passt nicht zusammen, wenn jede Stelle unabhängig bearbeitet würde.“

Das Zusammenführen von Bearbeitungsstellen könnte verhindern, dass Kalmare und andere Kopffüßer die Höhepunkte der Komplexität erreichen, zu denen sie theoretisch fähig sind. Dennoch bietet die RNA-Bearbeitung den Kopffüßern eine Möglichkeit, viele Versionen eines Proteins auszuprobieren, ohne sich auf eine dauerhafte Veränderung in der DNA festlegen zu müssen, sagt Rangan.

Dieses Fehlen von Verpflichtungen irritiert Jianzhi Zhang, einen Evolutionsgenetiker an der University of Michigan in Ann Arbor. „Es ergibt für mich keinen Sinn“, sagt er. „Wenn Sie eine bestimmte Aminosäure in einem Protein wollen, sollten Sie die DNA ändern. Warum ändern Sie die RNA?“

Vielleicht bietet die RNA-Bearbeitung einige evolutionäre Vorteile. Um diese Idee zu testen, verglichen Zhang und der damalige Doktorand Daohan Jiang „synonyme“ Stellen, an denen Bearbeitungen die Aminosäuren nicht verändern, mit „nichtsynonymen“ Stellen, an denen Umcodierung stattfindet. Da synonyme Bearbeitungen die Aminosäuren nicht verändern, betrachteten die Forscher diese Bearbeitungen als neutral im Hinblick auf die Evolution. Bei Menschen findet die Umcodierung oder nichtsynonyme Bearbeitung an weniger Stellen als die synonyme Bearbeitung statt, und der Prozentsatz der RNA-Moleküle, die bearbeitet werden, ist niedriger als an synonymen Stellen.

„Wenn wir annehmen, dass die synonyme Bearbeitung genauso wie das Rauschen ist, das in der Zelle auftritt, und dass die nichtsynonyme Bearbeitung weniger häufig und auf einem niedrigeren Niveau ist, dann deutet das darauf hin, dass die nichtsynonyme Bearbeitung tatsächlich schädlich ist“, sagt Zhang. Auch wenn die Umcodierung bei Kopffüßern viel häufiger vorkommt als bei Menschen, ist sie in den meisten Fällen nicht vorteilhaft oder angepasst für Kopffüßer, argumentierten die Forscher 2019 in Nature Communications.

Die Forscher fanden einige gemeinsame Stellen, an denen Octopoden, Tintenfische und Kalmare alle ihre RNAs bearbeiten, was darauf hindeutet, dass diese Bearbeitung in diesen Fällen nützlich ist. Aber dies ist nur ein kleiner Bruchteil der Bearbeitungsstellen. Einige andere Stellen, die bei einer Art von Kopffüßer bearbeitet werden, bei anderen jedoch nicht, waren ebenfalls anpassungsfähig, fanden Zhang und Jiang heraus.

Wenn es nicht wirklich hilfreich ist, warum hat die RNA-Bearbeitung dann bei Kopffüßern seit Hunderten von Millionen von Jahren Bestand? Die RNA-Bearbeitung kann bestehen bleiben, nicht weil sie anpassungsfähig ist, sondern weil sie süchtig macht, sagt Zhang.

Er und Jiang schlugen ein harm-erlaubendes Modell vor (das heißt eine Situation, die schädliche Veränderungen an der DNA zulässt). Stellen Sie sich vor, sagt er, dass ein G (Guanin) in der DNA eines Organismus mutiert und zu einem A (Adenin) wird. Wenn diese Mutation zu einer schädlichen Aminosäurenveränderung in einem Protein führt, sollte die natürliche Selektion Individuen aussortieren, die diese Mutation tragen. Aber wenn der Organismus zufällig RNA-Bearbeitung hat, könnte der Fehler in der DNA durch Bearbeitung der RNA korrigiert werden, indem das A im Wesentlichen wieder zu G geändert wird. Wenn das Protein lebenswichtig ist, muss die RNA in hohem Maße bearbeitet werden, damit fast jede Kopie korrigiert wird.

Wenn das passiert, „dann sind Sie im System gefangen“, sagt Zhang. Jetzt ist der Organismus von der RNA-Bearbeitungsmaschinerie abhängig. „Es kann nicht verloren gehen, denn Sie benötigen das A, um fürs Überleben zurück in ein G bearbeitet zu werden, also wird die Bearbeitung auf einem hohen Niveau gehalten bleiben. Zu Beginn brauchten Sie es wirklich nicht, aber nachdem Sie es bekamen, sind Sie süchtig danach geworden.“

Zhang argumentiert, dass diese Art der Bearbeitung neutral und nicht anpassungsfähig ist. Aber andere Forschungen legen nahe, dass die RNA-Bearbeitung anpassungsfähig sein kann.

RNA editing may work as a transition phase, letting organisms try out a switch from adenine to guanine without making a permanent change in their DNA. Over the course of evolution, sites where adenines are recoded in RNA in one cephalopod species are more likely than unedited adenines to be replaced with guanine in the DNA of one or more related species, researchers reported in 2020 in PeerJ. And for heavily edited sites, evolution across cephalopods seems to favor a transition from A to G in DNA (rather than to cytosine or thymine, the other two DNA building blocks). That favors the idea that editing can be adaptive.

Other recent work by Rosenthal and colleagues, which examined A-to-G replacements in different species, suggests that having an editable A is an evolutionary boon over an uneditable A or a hardwired G.

Soft-bodied cephalopod species including octopuses, squid and cuttlefish recode RNA in their nervous systems at tens of thousands of sites, compared with about a thousand or fewer sites in humans, mice, fruit flies and other animal species. Though scientists have been documenting the number of editing sites, they will need new tools to directly test how recoding influences cephalopod biology.

Evidence for and against RNA recoding’s evolutionary value has come mainly from examining the total genetic makeup, or genomes, of various cephalopod species. But scientists would like to directly test whether recoded RNAs have an effect on cephalopod biology. Doing that will require some new tools and creative thinking.

Rangan tested synthetic versions of squid motor proteins and found that two edited versions that squid make in the cold moved slower but traveled farther along protein tracks called microtubules than unedited proteins did. But that’s in artificial laboratory conditions on microscope slides. To understand what is happening in cells, Rangan says, she would like to be able to grow squid cells in lab dishes. Right now, she has to take tissue directly from the squid and can only get snapshots of what is happening. Lab-grown cells might allow her to follow what happens over time.

Zhang says he is testing his harm-permitting hypothesis by getting yeast hooked on RNA editing. Baker’s yeast (Saccharomyces cerevisiae) doesn’t have ADAR enzymes. But Zhang engineered a strain of the yeast to carry a human version of the enzyme. The ADAR enzymes make the yeast sick and grow slowly, he says. To speed up the experiment, the strain he is using has a higher-than-normal mutation rate, and may build up G-to-A mutations. But if RNA editing can correct those mutations, the ADAR-carrying yeast may grow better than ones that don’t have the enzyme. And after many generations, the yeast may become addicted to editing, Zhang predicts.

Albertin, Rosenthal and colleagues have developed ways to change the genes of squid with the gene editor CRISPR/Cas9. The team created an albino squid by using CRISPR/Cas9 to knock out, or disable, a gene that produces pigment. The researchers may be able to change editing sites in DNA or in RNA and test their function, Albertin says.

This science is still in its early stages, and the story may lead somewhere unexpected. Still, with cephalopods’ skillful editing, it’s bound to be a good read.

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