Octopuses e calamari sono dei maestri dell'editing dell'RNA pur lasciando il DNA intatto.

Molti scrittori protestano quando un editor apporta modifiche a una storia, ma le conseguenze del cambiamento di una singola parola di solito non sono tanto gravi.

Non è così con le istruzioni genetiche per la produzione di proteine. Anche una piccola modifica può impedire a una proteina di svolgere adeguatamente il suo lavoro, con possibili conseguenze mortali. Solo occasionalmente una modifica è utile. Sembra più saggio preservare le istruzioni genetiche così come sono scritte. A meno che tu non sia un polpo.

I polpi sono come alieni che vivono tra noi - fanno molte cose diversamente dagli animali terrestri o addirittura da altri animali marini. I loro tentacoli flessibili assaggiano ciò che toccano e hanno una propria mente. Gli occhi dei polpi non sono in grado di distinguere i colori, ma la loro pelle è in grado di rilevare la luce da sola (SN: 6/27/15, p. 10). Sono maestri della mimetizzazione, cambiano colore e consistenze della pelle per mimetizzarsi con l'ambiente circostante o per spaventare i rivali. E in misura maggiore rispetto alla maggior parte delle creature, i polpi spruzzano l'equivalente molecolare di inchiostro rosso sulle loro istruzioni genetiche con sorprendente abbandono, come un correttore di bozze impazzito.

Queste modifiche modificano l'RNA, la molecola utilizzata per tradurre le informazioni dal progetto genetico memorizzato nell'acido desossiribonucleico (DNA), lasciando il DNA inalterato.

Gli scienziati non sanno ancora con certezza perché i polpi e altri cefalopodi senza conchiglie, tra cui calamari e seppie, sono editori tanto prolifici. I ricercatori stanno dibattendo se questa forma di modifica genetica abbia dato ai cefalopodi un'evoluzione (o una ventata di) o se la modifica sia solo un caso utile a volte. Gli scienziati stanno anche indagando quali conseguenze potrebbero avere le alterazioni dell'RNA in diverse condizioni. Alcune prove suggeriscono che la modifica possa dare ai cefalopodi parte della loro intelligenza ma potrebbe ostacolare l'evoluzione del loro DNA (SN: 4/29/17, p. 6).

"Questi animali sono magici", afferma Caroline Albertin, biologa dello sviluppo comparativo presso il Marine Biological Laboratory di Woods Hole, nel Massachusetts. "Hanno soluzioni di tutto il mondo diversi per vivere nel mondo da cui provengono". La modifica dell'RNA può aiutare le creature a trovare soluzioni a un numero vasto di problemi che potrebbero incontrare.

Il dogma centrale della biologia molecolare sostiene che le istruzioni per costruire un organismo si trovino nel DNA. Le cellule copiano quelle istruzioni in RNA messaggero, o mRNA, a cui le macchine cellulari chiamate ribosomi leggono per costruire le proteine unendo gli aminoacidi. Nella maggior parte dei casi, la composizione della proteina corrisponde al template del DNA per la sequenza di aminoacidi della proteina.

Ma l'editing dell'RNA può causare divergenze dalle istruzioni del DNA, creando alcune proteine che hanno aminoacidi diversi da quelli specificati del DNA.

L'editing modifica chimicamente uno dei quattro blocchi costruttivi dell'RNA o basi. Quelle basi sono spesso indicate dalle prime lettere dei loro nomi: A, C, G ed U, per adenina, citosina, guanina ed uracile (la versione dell'RNA del baso timina del DNA). In una molecola di RNA, le basi sono collegate allo zucchero. L'unità adenina-zucchero, ad esempio, è indicata come adenosina.

Ci sono molti modi per modificare le lettere dell'RNA. I cefalopodi eccellono in un tipo di editing noto come adenosina a inosina, o A-to-I, editing. Questo accade quando un enzima chiamato ADAR2 rimuove un atomo di azoto e due di idrogeno dall'adenosina (A). Quella rimozione chimica trasforma l'adenosina in inosina (I).

I ribosomi leggono l'inosina come guanina invece che adenina. A volte il cambio non ha effetto sulla catena di aminoacidi della proteina risultante. Ma in alcuni casi, avere una G dove dovrebbe esserci una A ha come risultato l'inserimento di un aminoacido diverso nella proteina. Tale modifica delle proteine attraverso l'editing dell'RNA viene chiamata ricodifica dell'RNA.

I cefalopodi molli hanno abbracciato la ricodifica dell'RNA con tutti i loro bracci, mentre anche specie strettamente correlate sono più caute nell'accettare le riscritture, afferma Albertin. "Altri molluschi non sembrano farlo" con la stessa estensione.

L'editing dell'RNA non è limitato alle creature degli abissi. Quasi ogni organismo pluricellulare ha uno o più enzimi di editing dell'RNA chiamati enzimi ADAR, abbreviazione di "adenosina deaminasi che agisce sull'RNA", afferma Joshua Rosenthal, anche lui biologo molecolare al Marine Biological Laboratory.

I cefalopodi hanno due enzimi ADAR. Anche gli esseri umani ne hanno versioni. "Nel nostro cervello, modifichiamo un sacco di RNA. Lo facciamo molto", dice Rosenthal. Negli ultimi dieci anni, gli scienziati hanno scoperto milioni di luoghi in cui avvengono le modifiche dell'RNA umano.

Ma quelle modifiche raramente cambiano gli amminoacidi in una proteina. Ad esempio, Eli Eisenberg dell'Università di Tel Aviv e colleghi hanno identificato più di 4,6 milioni di siti di modifica negli RNAs umani. Dei quali, solo 1.517 ricodificano le proteine, hanno riferito i ricercatori l'anno scorso in Nature Communications. Di quei siti di ricodifica, fino a 835 sono condivisi con altri mammiferi, suggerendo che le forze evolutive abbiano preservato le modifiche in quei luoghi.

In una forma comune di modifica dell'RNA, un'adenosina diventa una inosina attraverso una reazione che rimuove un gruppo amminico e lo sostituisce con un ossigeno (frecce). L'illustrazione mostra un enzima ADAR che si attacca a un RNA a doppio filamento al "dominio di legame del dsRNA". La regione dell'enzima che interagirà per causare la reazione, il "dominio deaminasi", è posizionata vicino all'adenosina che diventerà una inosina.

I cefalopodi portano la ricodifica dell'RNA a un livello completamente nuovo, afferma Albertin. Il calamaro a pinne lunghe (Doryteuthis pealeii) ha 57.108 siti di ricodifica, hanno riferito Rosenthal, Eisenberg e colleghi nel 2015 su eLife. Da allora, i ricercatori hanno esaminato molte specie di polpo, calamaro e seppia, trovando ogni volta decine di migliaia di siti di ricodifica.

I cefalopodi a corpo molle, o coleoidi, possono avere più opportunità di modifica rispetto ad altri animali a causa di dove si trova almeno uno degli enzimi ADAR, ADAR2, nella cellula. La maggior parte degli animali modifica gli RNA nel nucleo, il compartimento dove il DNA viene conservato e copiato in RNA, prima di inviare i messaggi per incontrarsi con i ribosomi. Ma i cefalopodi hanno anche gli enzimi nel citoplasma, le viscere gelatinose delle cellule, hanno scoperto Rosenthal e colleghi (SN: 25/4/20, p.10).

Avere gli enzimi di modifica in due luoghi non spiega completamente perché la ricodifica dell'RNA dei cefalopodi superi di gran lunga quella degli esseri umani e degli altri animali. Né spiega i pattern di modifica scoperti dagli scienziati.

La modifica non è una proposta tutto o niente. Raramente tutte le copie di un RNA in una cellula vengono modificate. È molto più comune che una percentuale di RNA venga modificata mentre il resto conserva le loro informazioni originali. La percentuale o la frequenza di modifica può variare ampiamente da RNA a RNA o tra cellule o tessuti e può dipendere dalla temperatura dell'acqua o da altre condizioni. Nel calamaro a pinne lunghe, la maggioranza dei siti di modifica dell'RNA viene modificata meno del 2%, hanno riferito Albertin e colleghi l'anno scorso in Nature Communications. Ma i ricercatori hanno anche trovato oltre 205.000 siti che sono stati modificati il 25% del tempo o più.

Nella maggior parte del corpo di un cefalopode, la modifica dell'RNA non influisce spesso sulla composizione delle proteine. Ma nel sistema nervoso, è una storia diversa. Nel sistema nervoso dei calamaro Pinne lunghe, il 70% delle modifiche negli RNA che producono proteine ricodificano le proteine. E gli RNA nel sistema nervoso del polpo a due macchie della California (Octopus bimaculoides) vengono ricodificati tre o sei volte più spesso che in altri organi o tessuti.

Alcuni mRNA hanno molti siti di modifica che modificano gli amminoacidi nelle proteine che gli mRNA codificano. Nel sistema nervoso del calamaro a pinne lunghe, ad esempio, il 27% degli mRNA ha tre o più siti di ricodifica. Alcuni contengono 10 o più di tali siti. Combinazioni di quei siti di modifica potrebbero risultare in molteplici versioni di una proteina che viene prodotta in una cellula.

Avere una vasta selezione di proteine può dare ai cefalopodi "più flessibilità nella risposta all'ambiente", afferma Albertin, "o darti una varietà di soluzioni al problema di fronte a te". Nel sistema nervoso, la modifica dell'RNA potrebbe contribuire alla flessibilità del pensiero, il che potrebbe spiegare perché gli octopodi possono sbloccare gabbie o usare strumenti, alcuni ricercatori pensano. La modifica potrebbe essere un modo facile per creare una o più versioni di una proteina nel sistema nervoso e altre diverse nel resto del corpo, afferma Albertin.

Quando gli esseri umani e gli altri vertebrati hanno diverse versioni di una proteina, spesso derivano dall'avere copie multiple di un gene. Il raddoppio, il triplicarsi o il quadruplicarsi delle copie di un gene "risultano in un intero parco giochi genetico che consente ai geni di diventare diversi funzioni", afferma Albertin. Ma i cefalopodi tendono a non duplicare i geni. Invece, le loro innovazioni derivano dalla modifica.

E c'è molto spazio per l'innovazione. Nel calamaro, gli mRNA per la costruzione della proteina alpha-spectrin hanno 242 siti di ricodifica. Tutte le combinazioni di siti modificati e non modificati teoricamente potrebbero creare fino a 7 x 1072 forme della proteina, riferiscono Rosenthal ed Eisenberg nell'articolo di questo anno di Annual Review of Animal Biosciences. "Per mettere in prospettiva questo numero", hanno scritto i ricercatori, "basta dire che esso è di gran lunga superiore al numero di tutte le molecole di alfa-spectrina (o, per quel che importa, tutte le molecole proteiche) sintetizzate in tutte le cellule di tutti i calamari che hanno mai vissuto a partire dall'alba dei tempi".

Quel livello incredibile di complessità sarebbe possibile solo se ogni sito fosse indipendente, afferma Kavita Rangan, biologa molecolare presso l'Università della California, San Diego. Rangan ha studiato il ricodificare dell'RNA in calamari di mercato della California (Doryteuthis opalescens) e in calamari a pinna lunga. La temperatura dell'acqua induce i calamari a ricodificare le proteine motorie chiamate chinesine che trasportano il carico all'interno delle cellule.

In calamari a pinna lunga, l'mRNA che produce la chinesina-1 ha 14 siti di ricodifica, ha scoperto Rangan. Ha esaminato gli mRNA dal lobo ottico - la parte del cervello che elabora le informazioni visive - e dal ganglio stellato, una raccolta di nervi coinvolti nella generazione delle contrazioni muscolari che producono getti d'acqua per spingere il calamaro avanti.

Ogni tessuto ha prodotto diverse versioni della proteina. Ma certi siti tendevano ad essere modificati insieme, ha riportato Rangan e Samara Reck-Peterson, anche dell'UC San Diego, lo scorso settembre in una pre-stampa pubblicata online su bioRxiv.org. I loro dati suggeriscono che la modifica di alcuni siti è coordinata e "rifiuta molto fortemente l'idea che la modifica sia indipendente", dice Rangan. "La frequenza delle combinazioni che vediamo non corrisponde se ogni sito fosse modificato indipendentemente."

Accoppiare i siti di modifica potrebbe impedire ai calamari e ad altri cefalopodi di raggiungere le vette di complessità a cui sono teoricamente capaci. Tuttavia, la modifica dell'RNA fornisce ai cefalopodi un modo per sperimentare molte versioni di una proteina senza rimanere bloccati in un cambiamento permanente del DNA, dice Rangan.

Questa mancanza di impegno inverte Jianzhi Zhang, un genetista evolutivo dell'Università del Michigan ad Ann Arbor. "Non ha senso per me", dice. "Se vuoi un particolare amminoacido in una proteina, dovresti cambiare il DNA. Perché cambi l'RNA?"

Forse la modifica dell'RNA fornisce alcuni vantaggi evolutivi. Per testare questa idea, Zhang e lo studente di dottorato Daohan Jiang hanno confrontato i siti "sinonimi", dove le modifiche non cambiano gli amminoacidi, con i siti "non sinonimi" dove avviene la ricodifica. Poiché le modifiche sinonime non cambiano gli amminoacidi, i ricercatori hanno considerato quei cambiamenti neutrali per quanto riguarda l'evoluzione. Negli esseri umani, la ricodifica, o la modifica non sinonima, avviene in meno siti rispetto alla modifica sinonima, e la percentuale di molecole di RNA che vengono modificate è inferiore rispetto ai siti sinonimi.

"Se assumiamo che le modifiche sinonime siano solo rumore che accade nella cellula, e la modifica non sinonima sia meno frequente e [a un] livello inferiore, questo suggerisce che la modifica non sinonima sia effettivamente dannosa", dice Zhang. Anche se la ricodifica nei cefalopodi avviene molto più frequentemente che per gli esseri umani, nella maggior parte dei casi, la ricodifica non è vantaggiosa o adattiva per i cefalopodi, hanno sostenuto i ricercatori nel 2019 in Nature Communications.

Ci sono alcuni siti condivisi in cui polpi, calamari e sepiidi ricodificano tutti il loro RNA, hanno trovato i ricercatori, suggerendo che la ricodifica è utile in quei casi. Ma questa è una piccola frazione dei siti di modifica. Alcuni altri siti che vengono modificati in una specie di cefalopodi ma non in altri erano anche adattivi, secondo quanto hanno scoperto Zhang e Jiang.

Se non è così utile, perché i cefalopodi hanno continuato con la modifica dell'RNA per centinaia di milioni di anni? La modifica dell'RNA potrebbe persistere non perché è adattiva, ma perché è dipendente, dice Zhang.

Lui e Jiang hanno proposto un modello di "permesso di danno" (un situazione che permette cambiamenti dannosi al DNA). Immaginate, dice, una situazione in cui una G (guanina) del DNA di un organismo viene mutata in una A (adenina). Se quella mutazione porta a un cambiamento dannoso dell'amminoacido in una proteina, la selezione naturale dovrebbe eliminare gli individui che portano quella mutazione. Ma se, per caso, l'organismo ha la modifica dell'RNA, l'errore nel DNA potrebbe essere corretto dalla modifica dell'RNA, cambiando essenzialmente l'A in G. Se la proteina è essenziale per la vita, allora l'RNA dovrebbe essere modificato a livelli elevati in modo che quasi ogni copia venga corretta.

Quando questo accade, "Siete bloccati nel sistema", dice Zhang. Ora l'organismo dipende dalla macchina di modifica dell'RNA. "Non può essere perso, perché sarà necessario modificare l'A in G per la sopravvivenza, quindi la modifica sarà mantenuta a livelli elevati.... All'inizio non ne avevate bisogno, ma dopo averlo ottenuto, ne siete diventati dipendenti"

Zhang sostiene che quella sorta di modifica è neutra, non adattiva. Ma altre ricerche suggeriscono che la modifica dell'RNA può essere adattiva.

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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