Los pulpos y calamares son maestros en la edición de ARN mientras mantienen el ADN intacto.

Muchos escritores se quejan cuando un editor hace un cambio en una historia, pero las consecuencias de cambiar una sola palabra generalmente no son tan graves.

No es así con las instrucciones genéticas para hacer proteínas. Incluso un pequeño cambio puede evitar que una proteína haga su trabajo correctamente, con posibles consecuencias mortales. Solo ocasionalmente un cambio es beneficioso. Parece más sabio preservar las instrucciones genéticas tal como están escritas. A menos que seas un pulpo.

Los pulpos son como aliens que viven entre nosotros: hacen muchas cosas de manera diferente a los animales terrestres o incluso a otras criaturas marinas. Sus tentáculos flexibles saborean lo que tocan y tienen mentes propias. Los ojos de los pulpos son ciegos al color, pero su piel puede detectar la luz por sí sola. Son maestros del disfraz, cambian el color y la textura de su piel para fusionarse con su entorno o asustar a sus rivales. Y en mayor medida que la mayoría de las criaturas, los pulpos disparan la versión molecular de tinta roja sobre sus instrucciones genéticas con asombroso abandono, como si un editor de copia se hubiera vuelto loco.

Estas ediciones modifican ARN, la molécula utilizada para traducir información del plan genético almacenado en el ADN, mientras dejan el ADN sin alterar.

Los científicos aún no saben con certeza por qué los pulpos y otros cefalópodos sin concha, como los calamares y sepias, son tan prolíficos editores. Los investigadores debaten si esta forma de edición genética les dio a los cefalópodos una ventaja evolutiva o si la edición es solo un accidente a veces útil. Los científicos también están investigando qué consecuencias pueden tener las alteraciones de ARN en varias condiciones. Algunas evidencias sugieren que la edición puede dar a los cefalópodos parte de su inteligencia, pero podría frenar la evolución en su ADN.

"Estos animales son simplemente mágicos", dice Caroline Albertin, bióloga del desarrollo comparativo en el Laboratorio Biológico Marino de Woods Hole, Massachusetts. "Tienen todo tipo de soluciones diferentes para vivir en el mundo del que provienen". La edición de ARN podría ayudar a las criaturas a encontrar soluciones para los problemas que enfrentan.

El dogma central de la biología molecular sostiene que las instrucciones para construir un organismo están contenidas en el ADN. Las células copian esas instrucciones en ARN mensajero, o ARNm. Luego, la maquinaria celular llamada ribosomas lee los ARNm para construir proteínas uniendo aminoácidos. La mayoría de las veces, la composición de la proteína se ajusta a la plantilla de ADN para la secuencia de aminoácidos de la proteína.

Pero la edición de ARN puede causar divergencias de las instrucciones de ADN, creando algunas proteínas que tienen aminoácidos diferentes a los especificados por el ADN.

La edición modifica químicamente uno de los cuatro bloques de construcción del ARN, o bases. Esas bases a menudo se refieren por las primera letras de sus nombres: A, C, G y U, para adenina, citosina, guanina y uracilo (la versión de ARN de la base de ADN timina). En una molécula de ARN, las bases están unidas a azúcares; la unidad de azúcar-adenina, por ejemplo, se llama adenosina.

Hay muchas formas de editar letras de ARN. Los cefalópodos destacan en un tipo de edición conocido como adenosina a inosina, o edición A a I. Esto ocurre cuando una enzima llamada ADAR2 elimina un nitrógeno y dos átomos de hidrógeno de la adenosina (A). Esa removal química convierte la adenosina en inosina (I).

Los ribosomas leen la inosina como guanina en lugar de adenina. A veces, ese cambio no tiene ningún efecto en la secuencia de aminoácidos de la proteína resultante. Pero en algunos casos, tener una G donde debería haber una A da como resultado la inserción de un aminoácido diferente en la proteína. Esa edición de ARN que altera la proteína se llama recodificación de ARN.

Los cefalópodos de cuerpo blando han adoptado la recodificación de ARN con todos sus brazos, mientras que incluso especies cercanas están más indecisas acerca de aceptar las reescrituras, Albertin dice. "Otros moluscos no parecen hacerlo" en la misma medida.

La edición de ARN no se limita a las criaturas del mar profundo. Casi todos los organismos multicelulares tienen uno o más enzimas de edición de ARN llamadas enzimas ADAR, abreviatura de "desaminasa de adenina que actúa sobre ARN", dice Joshua Rosenthal, neurólogo molecular también en el Laboratorio Biológico Marino.

Los cefalópodos tienen dos enzimas ADAR. Los humanos también tienen versiones de ellas. "En nuestro cerebro, editamos mucha ARN. Lo hacemos mucho", dice Rosenthal. Durante la última década, los científicos han descubierto millones de lugares en las ARN humanas donde ocurre la edición.

Pero esas ediciones rara vez cambian los aminoácidos en una proteína. Por ejemplo, Eli Eisenberg de la Universidad de Tel Aviv y sus colegas identificaron más de 4,6 millones de sitios de edición en RNAs humanos. De estos, solo 1.517 recodifican proteínas, informaron los investigadores el año pasado en Nature Communications. De esos sitios de recodificación, hasta 835 son compartidos con otros mamíferos, lo que sugiere que las fuerzas evolutivas preservaron la edición en esos lugares.

En una forma común de edición de RNA, una adenosina se convierte en inosina a través de una reacción que elimina un grupo amino y lo reemplaza con un oxígeno (flechas). La ilustración muestra una enzima ADAR que se une a un RNA de doble cadena en el "dominio de unión dsRNA". La región de la enzima que interactuará para causar la reacción, el "dominio desaminasa", se coloca cerca de la adenosina que se convertirá en inosina.

Los cefalópodos llevan la recodificación de RNA a un nuevo nivel, dice Albertin. El calamar de aleta larga (Doryteuthis pealeii) tiene 57.108 sitios de recodificación, informaron Rosenthal, Eisenberg y colegas en 2015 en eLife. Desde entonces, los investigadores han examinado varias especies de pulpos, calamares y sepias, encontrando cada vez decenas de miles de sitios de recodificación.

Los cefalópodos de cuerpo blando, o coleoides, pueden tener más oportunidades para la edición que otros animales debido a donde al menos una de las enzimas ADAR, ADAR2, se encuentra en la célula. La mayoría de los animales editan RNAs en el núcleo, el compartimento donde se almacena el ADN y se copia en RNA, antes de enviar los mensajes para encontrarse con los ribosomas. Pero los cefalópodos también tienen las enzimas en el citoplasma, las gelatinosas tripas de las células, descubrieron Rosenthal y colegas (SN: 4/25/20, p. 10).

Tener enzimas de edición en dos lugares no explica totalmente por qué la recodificación de RNA de los cefalópodos supera con creces la de los humanos y otros animales. Tampoco explica los patrones de edición que los científicos han descubierto.

La edición no es una propuesta de todo o nada. Rara vez todas las copias de un RNA en una célula se editan. Es mucho más común que un porcentaje de los RNAs se edite mientras que el resto conserva su información original. El porcentaje, o frecuencia, de la edición puede variar ampliamente de un RNA a otro o entre células o tejidos, y puede depender de la temperatura del agua u otras condiciones. En los calamares de aleta larga, la mayoría de los sitios de edición de RNA se editaron un 2 por ciento o menos del tiempo, informaron Albertin y colegas el año pasado en Nature Communications. Pero los investigadores también encontraron más de 205.000 sitios que se editan el 25 por ciento del tiempo o más.

En la mayor parte del cuerpo de un cefalópodo, la edición de RNA no afecta a la composición de las proteínas. Pero en el sistema nervioso, es una historia diferente. En los sistemas nerviosos de los calamares de aleta larga, el 70 por ciento de las ediciones en los RNAs productores de proteínas recodifican proteínas. Y los RNAs en el sistema nervioso del pulpo de dos manchas de California (Octopus bimaculoides) se recodifican de tres a seis veces más a menudo que en otros órganos o tejidos.

Algunos mRNAs tienen múltiples sitios de edición que alteran los aminoácidos en las proteínas que los mRNAs codifican. En el sistema nervioso del calamar de aleta larga, por ejemplo, el 27 por ciento de los mRNAs tienen tres o más sitios de recodificación. Algunos contienen 10 o más de estos sitios. Las combinaciones de estos sitios de edición podrían dar lugar a múltiples versiones de una proteína que se hacen en una célula.

Tener una amplia selección de proteínas puede dar a los cefalópodos "más flexibilidad para responder al entorno", dice Albertin, "o darle una variedad de soluciones para el problema que tiene por delante". En el sistema nervioso, la edición de RNA podría contribuir a la flexibilidad de pensamiento, lo que podría ayudar a explicar por qué los pulpos pueden desbloquear jaulas o usar herramientas, piensan algunos investigadores. La edición podría ser una forma fácil de crear una o varias versiones de una proteína en el sistema nervioso y diferentes en el resto del cuerpo, dice Albertin.

Cuando los humanos y otros vertebrados tienen diferentes versiones de una proteína, a menudo se debe a que tienen múltiples copias de un gen. Duplicar, triplicar o cuadriplicar las copias de un gen "resulta en un gran patio de recreo genético que permite que los genes salgan y realicen diferentes funciones", dice Albertin. Pero los cefalópodos tienden a no duplicar genes. En cambio, sus innovaciones provienen de la edición.

Y hay mucho espacio para la innovación. En el calamar, los mRNAs para construir la proteína alfa-espectrina tienen 242 sitios de recodificación. Todas las combinaciones de sitios editados y no editados teóricamente podrían crear hasta 7 x 1072 formas de la proteína, informan Rosenthal y Eisenberg en el número de este año de Annual Review of Animal Biosciences. "Para poner este número en perspectiva", escribieron los investigadores, "basta decir que es mucho más grande que la cantidad de todas las moléculas de alfa-espectrina (o, de hecho, todas las moléculas de proteína) sintetizadas en todas las células de todos los calamares que han vivido en nuestro planeta desde el principio del tiempo".

Ese nivel increíble de complejidad solo sería posible si cada sitio fuera independiente, dice Kavita Rangan, una bióloga molecular de la Universidad de California, San Diego. Rangan ha estado estudiando la reubicación de ARN en calamares de mercado de California (Doryteuthis opalescens) y en calamares de aleta larga. La temperatura del agua activa el recodificación de proteínas motoras llamadas quinesinas que mueven la carga dentro de las células.

En el calamar de aleta larga, la mRNA que produce quinesina-1 tiene 14 sitios de recodificación, ha descubierto Rangan. Examinó mRNAs del lóbulo óptico, la parte del cerebro que procesa la información visual, y del ganglio estelar, una colección de nervios involucrados en la generación de contracciones musculares que producen chorros de agua para propulsar el calamar.

Cada tejido hizo varias versiones de la proteína. Pero ciertos sitios tendieron a editarse juntos, informaron Rangan y Samara Reck-Peterson, también de UC San Diego, en septiembre pasado en un borrador publicado en línea en bioRxiv.org. Sus datos sugieren que la edición de algunos sitios está coordinada y "rechaza muy fuertemente la idea de que la edición sea independiente", dice Rangan. "La frecuencia de las combinaciones que vemos no coincide si cada sitio se editara de manera independiente".

Unir sitios de edición puede evitar que los calamares y otros cefalópodos alcancen las cumbres de complejidad que teóricamente son capaces de alcanzar. Aun así, la edición de ARN proporciona a los cefalópodos una manera de probar muchas versiones de una proteína sin quedar atrapados en un cambio permanente en el ADN, dice Rangan.

Esa falta de compromiso desconcierta a Jianzhi Zhang, un genetista evolutivo de la Universidad de Michigan en Ann Arbor. "No me tiene sentido", dice. "Si quieres un aminoácido particular en una proteína, deberías cambiar el ADN. ¿Por qué cambias el ARN?"

Tal vez la edición de ARN proporcione alguna ventaja evolutiva. Para probar esa idea, Zhang y el entonces estudiante de posgrado Daohan Jiang compararon sitios "sinónimos", donde las ediciones no cambian los aminoácidos, con sitios "no sinónimos" donde ocurre la recodificación. Dado que las ediciones sinónimas no cambian los aminoácidos, los investigadores consideraron esas ediciones como neutrales en lo que respecta a la evolución. En los humanos, la recodificación o la edición no sinónima ocurre en menos sitios que la edición sinónima, y el porcentaje de moléculas de ARN que se editan es más bajo que en sitios sinónimos.

"Si suponemos que la edición sinónima es como un ruido que ocurre en la célula, y la edición no sinónima es menos frecuente y [a nivel] un nivel más bajo, eso sugiere que la edición no sinónima es realmente perjudicial", dice Zhang. Aunque la recodificación en cefalópodos ocurre con mucha más frecuencia que en humanos, en la mayoría de los casos, la recodificación no es ventajosa ni adaptativa para los cefalópodos, argumentaron los investigadores en 2019 en Nature Communications.

Los investigadores encontraron algunos sitios compartidos donde los pulpos, los calamares y los sepias editan sus ARN, lo que sugiere que la recodificación es útil en esos casos. Pero esta es una pequeña fracción de los sitios de edición. Zhang y Jiang encontraron que algunos otros sitios que se editan en una especie de cefalópodo pero no en otras también eran adaptativos.

Si no es tan útil, ¿por qué los cefalópodos han persistido con la recodificación del ARN durante cientos de millones de años? La edición de ARN puede persistir no porque sea adaptativa, sino porque es adictiva, dice Zhang.

Él y Jiang propusieron un modelo de permitir el daño (es decir, una situación que permite cambios perjudiciales en el ADN). Imagina, dice, una situación en la que un G (guanina) en el ADN de un organismo se muta a una A (adenina). Si esa mutación conduce a un cambio de aminoácido perjudicial en una proteína, la selección natural debería eliminar a los individuos que portan esa mutación. Pero si, por casualidad, el organismo tiene edición de ARN, el error en el ADN podría corregirse mediante la edición de ARN, cambiando esencialmente el A de vuelta a G. Si la proteína es esencial para la vida, entonces el ARN tendría que editarse en niveles altos para que casi todas las copias se corrigieran.

Cuando eso sucede, "estás atrapado en el sistema", dice Zhang. Ahora el organismo depende de la maquinaria de edición de ARN. "No se puede perder, porque necesitarás que el A se edite de vuelta al G para sobrevivir, por lo que la edición se mantendrá a niveles altos... Al principio, realmente no lo necesitabas, pero después de haberlo obtenido, te volviste adicto".

Zhang argumenta que ese tipo de edición es neutral, no adaptativa. Pero otras investigaciones sugieren que la edición de ARN puede ser adaptativa.

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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