/

Umysł w ośmiu mackach, czyli jak mechanizmy epigenetyczne mogą wpływać na inteligencję?

avatar
Magda Kopczyńska 30 Gru, 8 minut czytania

 

Ośmiornice sklasyfikowane są w jeden typ taksonomiczny wraz ze ślimakami i małżami, a jednak do winniczka podobne są jak dzień do nocy. Niesamowicie szybko się uczą, bez problemu odnajdują wyjście z labiryntu, a w sztuce kamuflażu nie dorówna im żaden kameleon. W głębinach oceanu cechują się ogromnym sprytem i ciekawością – noszą ze sobą połówki skorup kokosa i używają ich jako przenośnego schronienia. Trzymane w niewoli szybko przyzwyczajają się do nowych warunków – nie kryją niechęci do niektórych eksperymentatorów wyrzucając litry wody na ich karki, potrafią też zapchać odpływ akwarium, żeby podnieść w nim poziom wody i w konsekwencji zalać całe laboratorium. Wykorzystają każdą możliwość ucieczki, a w przypadku niepowodzenia nagrodzą się chociaż drobną kradzieżą. Funkcjonowanie układu nerwowego tych niezwykłych stworzeń nadal owiane jest tajemnicą, jednak ostatnie badania wskazują, że za ich niezwykłą inteligencję może być odpowiedzialny… pewien zagadkowy mechanizm epigenetyczny.

 

Inteligencja inna niż wszystkie

Filozof Michael Trestman zaproponował hipotezę, że tylko trzy typy zwierząt wykształciły tzw. „złożone czynne ciała”, które potrafią szybko się przemieszczać, chwytać przedmioty i operować nimi: stawonogi (owady, pajęczaki i skorupiaki), strunowce (m.in. ryby, ptaki i ssaki) oraz głowonogi (w tym ośmiornice i kałamarnice) (1) . Wiele ze zwierząt, które znajdują się w dwóch pierwszych grupach, charakteryzuje się złożonym życiem społecznym i koordynacją, które doprowadziły do znacznego sukcesu w ekosystemach i stworzenia „idealnego” ładu – doskonałym przykładem takiego gatunku mogą być mrówki, ale również i ludzie. Głowonogi są zdecydowanie inne. Pomimo że nigdy nie wyszły na ląd, wykształciły mózgi dużo większe od stawonogów, jednak nie tworzą tak zorganizowanych społeczności jak mrówki. To, co mnie w nich fascynuje, to wykształcenie samotniczej formy inteligencji: niespołecznej i nad wyraz osobliwej.

Jeśli cofniemy się około 600 milionów lat, znajdziemy wspólnego przodka człowieka i ośmiornicy – z wyglądu zbliżone do robaka stworzenie o prostym układzie nerwowym. Od tego właśnie przodka układy nerwowe ewoluowały niezależnie w wielu odmiennych kierunkach. Strunowce, czyli typ zwierząt, do których należy człowiek, charakteryzują się struną grzbietową, która jest zbiorem nerwów biegnącym wzdłuż pleców, a na jej końcu znajduje się centralny narząd kontrolujący pozostałe części ciała – mózg. W przypadku głowonogów plan ciała i typ układu nerwowego jest zupełnie inny – mimo iż posiadają one narząd skupiający neurony z przodu zwierzęcia, nieco podobny do mózgu, jest to układ zdecentralizowany (2). Co więcej, z ewolucyjnego punktu widzenia, skupisko neuronów w tym właśnie miejscu zdaje się być pomyłką – przez sam środek „mózgu” przechodzi przełyk, a zatem zjedzenie czegoś ostrego może dla ośmiornicy skończyć się katastrofą.

Znaczna część układu nerwowego głowonogów jest rozporoszona po całym ich ciele – najwięcej neuronów znajduje się w ich ramionach (prawie dwa razy tyle co w mózgu!). Każde ramię jest swoistym sensorem i posiada własne narządy czuciowe służące do rozpoznawania substancji chemicznych oraz narządy kontrolujące ruch. Co ciekawe, ramiona głowonogów cechują się sporą autonomią, a niektóre badania behawioralne sugerowały nawet, że ośmiornice nie do końca śledzą, gdzie znajdują się ich kończyny (3) . Z drugiej strony, podczas spotkania z ośmiornicą w jej naturalnym środowisku, na przywitanie wysunie ona w kierunku obserwatora tylko jedno ramię. Takie zachowanie może sugerować, że jest to czynność kierowana przez nadrzędny centralny narząd – mózg. Naukowcy badający ośmiornice dochodzą jednak do konkluzji, że zwierzęta mieszają kontrolę lokalną i centralną – oczy potrafią kierować ramionami, ale ramię, które szuka pożywienia (w eksperymentalnych warunkach podążając przez transparentny labirynt) zajmuje się po drodze niezależną eksploracją (4) . Te niezwykłe cechy układu nerwowego łączą się z brakiem niemal wszystkich twardych części ciała – wraz z pojawieniem się nieskończonej ilości ruchów, konieczne było ich zorganizowanie i nadanie im spójności.

Precyzyjna kontrola to podstawa

Niezwykłość ośmiornic nie kończy się na ich anatomii. Zespół naukowców z Marine Biological Laboratory we współpracy z grupą z Uniwersytetu w Tel Awiwie wykazał, że głowonogi do edycji swoich genów powszechnie wykorzystują mechanizm, który w znacznie mniejszym stopniu zachodzi w przypadku innych zwierząt – edytują swoje RNA (5). Mechanizm ten pozwala im na zmianę i dopasowanie informacji zakodowanej w genach, bez konieczności zmiany samych genów.

Wprowadzenie pojęcia edycji RNA wymaga jednak przypomnienia dogmatu współczesnej biologii. Żeby w komórce mogło powstać białko, które jest podstawowym budulcem, a jednocześnie budowniczym każdego organizmu, w jądrze komórkowym informacja zapisana w DNA musi być przepisana na RNA (Rys. 1). Fragment RNA, który koduje dane białko wydostaje się z jądra do cytoplazmy, gdzie organelle zwane rybosomami pomagają w procesie translacji, w którym informacja zapisana w RNA zostaje „tłumaczona” na łańcuch polipeptydowy. Po odpowiednich modyfikacjach post-translacyjnych, powstaje białko, które może pełnić swoją funkcję: jak „dorośnie” może stać się enzymem trawiennym albo częścią mięśnia sercowego. Niestety nie może wybierać – jego przyszłość od początku jest precyzyjnie regulowana m. in. przez mechanizmy epigenetyczne.

Rysunek 1. Schemat transkrypcji i translacji.

W jaki sposób? Każda komórka naszego organizmu posiada dokładnie takie samo DNA. To precyzyjna kontrola, jakie geny będą ulegały ekspresji (czyli jakie białka potrzebne są danej komórce, żeby mogła pełnić swoją funkcję) odpowiedzialna jest za ogromną różnorodność komórek w naszym ciele. Komórka nerwowa i komórka wątroby, pomimo takiego samego materiału genetycznego, znacznie się od siebie różnią pod względem budowy i funkcji. O epigenetyce pisaliśmy już tego lata, dlatego każdego zainteresowanego odsyłam do numeru #6 Genetyki (https://genetyka.bio/genetyka-6/).

Kontrola epigenetyczna może mieć wiele twarzy: najczęściej badane są mechanizmy oddziałujące na DNA takie jak modyfikacje histonów (przypis 1) lub działanie czynników, które mogą modelować środowisko, w którym zachodzi transkrypcja. DNA przecież nie jest odosobnioną cząsteczką zawieszoną w jądrze komórkowym jak w próżni – tak jak w ogromnym markecie każdy produkt jest precyzyjnie przypisany do swojej kategorii, tak i w jądrze komórkowym każde białko i fragment DNA ma swoje precyzyjnie określone miejsce. Pięknie obrazuje to poniższy film:

https://www.youtube.com/watch?v=T2np8mhpVvQ

… ale nieograniczona różnorodność to sztuka

Decyzja o tym, jakie geny będą ulegały ekspresji poprzez oddziaływanie między białkami histonowymi i czynnikami transkrypcyjnymi, to tylko jedna warstwa epigenetycznej złożoności. Za różnorodność powstających w komórce białek może być odpowiedzialne wiele dodatkowych mechanizmów, które polegają na modyfikacjach powstałego w procesie transkrypcji mRNA (przypis 2). Jednym z takich procesów jest edycja adenozyny do inozyny, który polega na reakcji konwersji przez enzymy z rodziny ADAR naturalnie występującego w mRNA nukleozydu (przypis 3) – adenozyny – na inozynę (6) . Dla fanów chemicznych wzorów, reakcja przedstawiona jest poniżej (Rys. 2):

Rysunek 2. Konwersja adenozyny do inozyny. Źródło: https://www.nature.com/articles/srep35123

 

Podczas translacji mRNA, kiedy na jego matrycy powstaje łańcuch polipeptydowy, inozyna jest rozpoznawana przez maszynerię translacyjną jako guanozyna. Dzięki tej „pomyłce” podczas powstawania białka może dojść do zamiany jednego aminokwasu na zupełnie inny, tym samym zmieniając budowę lub funkcjonalność białka (Rys. 3).

Rysunek 3. Mechanizm i konsekwencje edycji adenozyny do inozyny.

 

Jednak taki scenariusz zdarza się niezwykle rzadko – w przypadku człowieka tylko niecałe 3% genów posiada potencjalne miejsca takiej edycji i najczęściej nie prowadzą do zmian w budowie białka (7)  (miliony takich miejsc natomiast występują w regionach niekodujących), a tylko 25 ludzkich transkryptów posiada miejsca edycji adenozyny do inozyny, które są konserwatywne (czyli takie same) dla wszystkich ssaków (8) .

Tutaj możemy cofnąć się o kilka akapitów i wrócić do wspomnianych wcześniej naukowców. Wykazali oni bowiem, że w przypadku ośmiornic, edycja adenozyny do inozyny w regionach kodujących jest niezwykle powszechna – w regionach kodujących może znajdować się 80-130 tysięcy potencjalnych miejsc edycji5. Zespół nie tylko zdefiniował takie miejsca w genomie ośmiornic, ale też wykazał, że dzięki temu mechanizmowi w układzie nerwowym zwierząt znajduje się cały wachlarz niezwykle zróżnicowanych białek.

Elastyczność w wielu wymiarach

Tak naprawdę nie do końca możliwe jest stwierdzenie, czy mechanizm edycji RNA, który prowadzi do ogromnej różnorodności proteomu (przypis 4) jest bezpośrednio związany z niezwykłą inteligencją ośmiornic. Jest to jednak ciekawa poszlaka, która przekonuje mnie swoim wysublimowanym mechanizmem. Z jednej strony edycja RNA pozwala głowonogom na wyprodukowanie wielu różnych białek z tego samego genu, dajmy na to takie, które będą lepiej dostosowane do otaczającej temperatury. Z drugiej jednak, ich genomy muszą być niepodatne na zmiany, gdyż miejsca, w których zachodzi edycja muszą być łatwo rozpoznawalne przez enzymy ADAR – tym samym ich DNA nie ulega ewolucji.

DNA ośmiornic również zadziwiło naukowców – ich genom jest około 6 razy większy niż pozostałych bezkręgowców, niewiele zaś mniejszy od genomu człowieka. Z sekwencjonowania całogenomowego wynika, że ośmiornice mają niezwykle szeroko rozwinięte dwie grupy genów: kodujące białka z rodziny „palców cynkowych”, które są czynnikami wpływającymi na transkrypcję oraz protokadheryny odpowiedzialne za rozwój układu nerwowego u ssaków. Większość bezkręgowców posiada tylko kilka genów z drugiej wspomnianej grupy, ośmiornice za to posiadają ich dwa razy więcej niż człowiek (9)!

Wydawać by się mogło, że ośmiornice są nietypowym przykładem, jak budowa genomu i zmiany epigenetyczne mogą wpłynąć na wykształcenie niezwykłej formy zachowań niespotykanej w żadnym innym środowisku. Czy jest to bezpośrednio związane z ich inteligencją? Trudno to ocenić z perspektywy kogoś z zupełnie odmiennym układem nerwowym. Warto jednak wspomnieć, że oprócz ośmiornic ten sam zespół naukowców zbadał starożytnego głowonoga posiadającego twardą spiralną skorupę, łodzika, identyfikując tylko 1000 miejsc edycji adenozyny do inozyny. Łodziki od ponad 400 milionów lat pozostają takie same – mają proste mózgi i w porównaniu do ośmiornic zachowują się dość przeciętnie, a ich RNA w znacznej mierze nie ulega edycji. Tymczasem płaszczoobrosłe (łac. Coleoidea), czyli podgromada głowonogów, do której należą ośmiornice i kałamarnice wykorzystują edycję RNA na porządku dziennym. Potrafią otworzyć słoik od środka. Przypadek? Nie sądzę.

 


Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach. Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂 Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG

Postaw mi kawę na buycoffee.to


 

Literatura:

Pierwsza część artykułu została napisana na podstawie książki Petera Smitha-Godfrey’a pt. „Inne umysły. Ośmiornice i prapoczątki świadomości”. Cytowane poniżej źródła 1-4 są źródłami oryginalnymi zacytowanymi w książce. Tę pozycję polecam każdemu, kogo zainteresował powyższy artykuł.

1. Trestman, M. The Cambrian Explosion and the Origins of Embodied Cognition. Biol. Theory 8, 80–92 (2013).

2. Budelmann, B. U. The cephalopod nervous system: What evolution has made of the molluscan design. in The Nervous Systems of Invertebrates: An Evolutionary and Comparative Approach: With a Coda written by T.H. Bullock (eds. Breidbach, O. & Kutsch, W.) 115–138 (Birkhäuser, 1995). doi:10.1007/978-3-0348-9219-3_7.

3. Hanlon, R. T. & Messenger, J. B. Cephalopod Behaviour. (Cambridge University Press, 2018). doi:10.1017/9780511843600.

4. Gutnick, T., Byrne, R. A., Hochner, B. & Kuba, M. Octopus vulgaris Uses Visual Information to Determine the Location of Its Arm. Curr. Biol. 21, 460–462 (2011).

5. Liscovitch-Brauer, N. et al. Trade-off between Transcriptome Plasticity and Genome Evolution in Cephalopods. Cell 169, 191-202.e11 (2017).

6. Nishikura, K. A-to-I editing of coding and non-coding RNAs by ADARs. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 17, 83–96 (2016).

7. Ramaswami, G. & Li, J. B. RADAR: a rigorously annotated database of A-to-I RNA editing. Nucleic Acids Res. 42, D109-113 (2014).

8. Pinto, Y., Cohen, H. Y. & Levanon, E. Y. Mammalian conserved ADAR targets comprise only a small fragment of the human editosome. Genome Biol. 15, R5 (2014).

9. Octopus genome surprises and teases. https://www.science.org/content/article/octopus-genome-surprises-and-teases.

Przypisy:

  1. Histony to białka występujące w jądrze komórkowym, na które nawinięta jest nić DNA. Modyfikacje na ich N-końcu, czyli końcu zawierającego grupę aminową, odpowiedzialne są w dużej mierze za „siłę” nawinięcia DNA na białko, tym samym określając, czy dany fragment jest dostępny dla enzymów i czynników transkrypcyjnych, czy przylega ciasno do histonu i jest transkrypcyjnie nieaktywny.
  2. mRNA (ang. messenger RNA) to taka cząsteczka RNA, która niesie informację o sekwencji peptydów w białku. Nie wszystkie cząsteczki RNA kodują białka, wiele z nich pełni funkcje regulatorowe.
  3. Odsyłam do artykułu o budowie kwasów nukleinowych: https://genetyka.bio/kwasy-rybonukleinowe-i-ich-tajemnice/
  4. Proteom – wszystkie białka występujące w danym organizmie.

 


Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach. Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂 Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG

Postaw mi kawę na buycoffee.to


Fotografia ośmiornicy z artykułu: https://www.salon.com/2021/11/23/scientists-peered-into-octopus-brains–and-were-astonished-at-what-they-saw/ (który również polecamy)

Podziel się: