Αντισταθμιστική σχέση μεταξύ της πλαστικότητας του μεταγραφώματος και της εξέλιξης του γονιδιώματος στα Κεφαλόποδα

Περίληψη του άρθρου Trade-off between Transcriptome Plasticity and Genome Evolution in Cephalopods.

Την περίληψη επιμελήθηκε η Αναπληρώτρια Καθηγήτρια του Τμήματος Βιολογίας του ΕΚΠΑ, Διδώ Βασιλακοπούλου

Η πολυπλοκότητα του πρωτεώματος εξαρτάται από ένα ευρύ σύνολο μεταμεταγραφικών διεργασιών που τροποποιούν και εμπλουτίζουν τη γενετική πληροφορία πέρα από το γονιδιακό πρότυπο. Η απαμίνωση της αδενοσίνης σε ινοσίνη, από την οικογένεια ενζύμων ADAR, είναι η πιο κοινή μορφή επεξεργασίας στους ζωικούς οργανισμούς. Η διαδικασία αυτή έχει την ικανότητα να επανακωδικοποιεί κωδικόνια (η ινοσίνη αναγνωρίζεται ως γουανοσίνη κατά τη διάρκεια της μετάφρασης) και να ρυθμίζει τη λειτουργία των πρωτεϊνών. Για να εκτιμηθεί το επίπεδο της επανακωδικοποίησης μέσω της μεταμεταγραφικής επεξεργασίας του RNA από Α σε Ι στα κεφαλόποδα, οι ερευνητές ανέλυσαν δείγματα DNA και RNA από είδη που καλύπτουν το εξελικτικό δέντρο των κεφαλόποδων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στα νευρικά μεταγραφώματα, στα πολύπλοκα ως προς τη συμπεριφορά κολεοειδή κεφαλόποδα, παρατηρείται εκτεταμένη επεξεργασία RNA από Α σε Ι, αλλά όχι στον ναυτίλο. Ανάλυση φασματομετρίας μάζας επικύρωσε τη διαφοροποίηση του πρωτεώματος από την επανακωδικοποίηση. Τα επεξεργασμένα μετάγραφα μεταφράζονται σε ισομορφές πρωτεϊνών με τροποποιημένες λειτουργικές ιδιότητες. Κατά συνέπεια η συνολική επιρροή της επεξεργασίας RNA στη νευροφυσιολογία είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη.

Τα δεδομένα  ανέδειξαν την εξέλιξη της εκτεταμένης επανακωδικοποίησης, μέσω της μεταμεταγραφικής επεξεργασίας του RNA. Συγκρίνοντας την επεξεργασία σε όλες τις ταξινομικές ομάδες των κολεοειδών, διαπιστώθηκε ότι, σε αντίθεση με την περίπτωση των θηλαστικών, πολλές περιοχές είναι ιδιαίτερα συντηρημένες και υφίστανται θετική επιλογή, με αποτέλεσμα τη σημαντική επιβράδυνση της εξέλιξης του γονιδιώματος τους. Η επεξεργασία που βρίσκεται υπό θετική επιλογή απαιτεί  αυξημένη διατήρηση της αλληλουχίας κοντά στις θέσεις επεξεργασίας. Αυτό που είναι μοναδικό στα κολεοειδή κεφαλόποδα είναι ότι δεν  αποκλείουν την επεξεργασία από τις περιοχές που κωδικοποιούν  πρωτεΐνες. Ανεξάρτητα από την πρωταρχική αιτιολογία της επεξεργασίας, το μοναδικό αυτό φαινόμενο έχει σαφώς τεράστιες επιπτώσεις στο πρωτέωμα. Μεταξύ των ασπόνδυλων, το νευρικό σύστημα των κολεοειδών είναι μοναδικά ευμεγέθες και πολύπλοκο. Τα κολεοειδή διαθέτουν εγκεφαλικούς λοβούς αφιερωμένους στη μάθηση και τη μνήμη και επιδεικνύουν μια σειρά από σύνθετες και ευέλικτες συμπεριφορές. Οι εγκέφαλοι των ναυτιλοειδών είναι απλούστεροι, περιέχουν λιγότερους νευρώνες και δεν διαθέτουν ειδικούς λοβούς αφιερωμένους στη μάθηση και τη μνήμη. Η συσχέτιση της εκτεταμένης  επανακωδικοποίησης με το νευρικό σύστημα και το γεγονός ότι είναι μοναδική για τα κολεοειδή και δεν παρατηρείται στους ναυτίλους, υποδηλώνουν τη σχέση της μαζικής επανακωδικοποίησης με την εξαιρετικά συμπεριφορική πολυπλοκότητα των κολεοειδών. Η σκέψη αυτή ενισχύεται από την υψηλή συχνότητα της επεξεργασίας σε μετάγραφα που κωδικοποιούν πρωτεΐνες που εμπλέκονται άμεσα στη διεγερσιμότητα. Καθώς όλες οι ομάδες κεφαλόποδων που διαχωρίζουν τα κολεοειδή και τα ναυτιλοειδή έχουν πλέον εξαφανιστεί, θα είναι δύσκολο να προσδιοριστεί το επακριβές χρονικό σημείο της εμφάνισης της εκτεταμένης επεξεργασίας RNA.

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι προκειμένου να επεξεργαστεί μια συγκεκριμένη αδενοσίνη η ADAR απαιτεί συγκεκριμένες περιβάλλουσες δομές RNA. Η αντικατάσταση ενός μόνο νουκλεοτιδίου εντός αυτών των δομών μπορεί να ακυρώσει την επεξεργασία. Εάν μια θέση επεξεργασίας είναι επωφελής, η περιβάλλουσα δομή πρέπει να διατηρηθεί. Η εκτενής επεξεργασία απαιτεί πληθώρα δομών που μπορούν να καλύψουν ένα μεγάλο μέρος της κωδικοποιούσας αλληλουχίας. Οι περιορισμοί που απαιτούνται για τη διατήρηση χιλιάδων θέσεων επανακωδικοποίησης, μειώνουν τη συσσώρευση μεταλλάξεων σε περιοχές κοντά σε μια θέση επεξεργασίας, επιβραδύνοντας το ρυθμό της συμβατικής εξέλιξης σε επίπεδο DNA.