タコは氷点下の気温に耐えるために自身のRNAを書き換える

タコは、特徴的なカモフラージュから他のタコに甲羅を投げつけることまで、あらゆることをこなすことができますが、体温調節はできないのが大きな特徴です。この進化の奇癖により、水温の変化はタコの強力な脳を脅かす可能性がありますが、それでもタコはなんとかそれに対処しています。

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6月8日にCell誌に掲載された研究によると、2スポットタコは異なる神経タンパク質を生成することで季節的な気温の変化に適応している。彼らはこれを、タンパク質とDNAの間のメッセンジャー分子であるRNAを編集することで実現している。この研究チームは、この再配線が脳を保護し、この戦略は他のタコやイカにも広く使われている可能性があると考えている。

「10年前には何か異常なことが起きているという兆候はあったものの、体系的なマッピングは行われておらず、私たちの最初の目標はイカの編集部位を体系的にマッピングすることだった」と、テルアビブ大学の統計数学者で本研究の共著者であるエリ・アイゼンバーグ氏はPopSciに語っている。

イカには数万の記録部位があり、主に神経組織に位置し、そこでRNA編集が行われていることがわかった。アイゼンバーグ氏と研究共著者のジョシュア・ローゼンタール氏は、研究をタコとその神経ネットワークにまで広げた。彼らは、複雑で高度に進化した脳を持つこれらの頭足動物が、どのように幅広い温度にさらされるかを知りたいと考えていた。

DNA の変異により、生物は長期間にわたって、また複数の世代にわたって適応することができます。RNA 編集は、季節の気温などの環境の変化に適応するための一般的で柔軟な一時的な方法です。

「これとCRISPRゲノム編集は対照的であることが多い」とシカゴ大学付属海洋生物学研究所の生物学者ローゼンタール氏はPopSciに語った。「CRISPRゲノム編集はDNAに変化を起こすように設計された人工的なプロセスで、生物の一生を通じて変化が起こった時点から永久的なものになる。RNAは一時的に物事を起こす機会を与えてくれる。」

RNA編集によってタンパク質の構造が変化するプロセスはRNA再コーディングと呼ばれます。これはタコとイカを除いて非常にまれです。人間には遺伝子の3%未満に影響を与える編集部位が何百万もありますが、鞘状動物または「賢い」頭足動物は神経タンパク質の大部分を再コーディングできます。

「頭足動物以外では、タンパク質の配列を変えて新しい種類のタンパク質を得るための主な方法は、突然変異と進化です」と、研究の共著者でセントフランシス大学の生物学者マシュー・バーク氏はPopSciに語った。「それには何世代も何百年、何千年もかかりますが、これは数日で終わります。とても興奮しました。」

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この新しい研究では、研究チームはカリフォルニアオクトパスを研究室と野生で調査した。この種はゲノム配列が決定された最初のタコであり、他のタコの信頼できる代理種である。野生のタコは、より冷たい深度に潜るときや湧昇現象のときのような急激な温度変化と、季節の変わり目のようなより緩やかな温度変化にさらされている。

研究者らは、野生で捕獲された成体のタコを水槽内の暖かい水（71.6ºF）または冷たい水（55.4ºF）に順応させ、数週間後、順応したタコのRNA転写産物をゲノムと比較し、RNA編集の兆候を探した。

「驚くべき発見の一つは、温度変化によって非常に多くのタンパク質、非常に多くの編集部位が変化し、そのすべてがほぼすべて同じ方向に変化したという事実だ」とアイゼンバーグ氏は言う。

編集はゲノムの約30％、つまり2万箇所以上で行われた。編集されたタンパク質は神経タンパク質である傾向があり、温度変化に敏感な編集された部位のほぼすべてが寒冷時に編集が進んだとアイゼンバーグ氏は言う。

これらの変化がどのくらい速く起こるかを調べるため、研究チームは親指ほどの大きさの幼生タコの反応を調べた。約 20 時間かけて、タンクの温度を 57.2°F から 93.2°F まで、あるいはその逆に 1 時間ごとに徐々に上げたり下げたりした。温度変化の前、変化直後、そして 4 日後に RNA 編集を計測したところ、研究チームは変化がいかに急速に起こったかに驚いた。バーク氏によると、変化は 1 日も経たないうちに起こり、4 日後には新しい安定したレベルが現れ、1 か月間続いたという。

研究チームは、再コーディングがタンパク質構造機能に影響を及ぼすかどうかの調査も開始しました。研究チームは、神経系の機能に重要な 2 つのタンパク質、キネシンとシナプトタグミンに注目しました。研究チームは、再コーディングによってタンパク質の構造が変化し、それがタンパク質の機能に影響を及ぼすという証拠を発見しました。

「これが物理的な環境要因を超えて広がるかどうか、とても興味があります。社会的状況が神経系のコード化方法に影響を与えるとしたら、それは非常に興味深い概念です」とローゼンタールは言う。「メッセンジャーRNAのこの高レベルの再コード化の根底にあるものを知りたいのです。」

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このRNA編集と再コーディングについてさらに理解を深めることは、人間の治療に応用できる可能性があります。ローゼンタールとアイゼンバーグは、RNA編集がオピオイドの非依存性治療に使用できるかどうかを調べるため、国立衛生研究所からの助成金プロジェクトに取り組んでいます。

このような研究は、8 本足の水生動物に関する知識への高まる欲求も満たしています。「人々はタコのことをかなりよく理解していると思います。タコには、私たちが実際に見ることができる魅力的なものがたくさんあります」とバークは言います。「現在、タコは分子レベルでも魅力的であることがますますわかってきています。タコは奇妙で、好奇心を掻き立てます。」