新研究可能将复杂生命的进化与基因的”暗物质”microRNA联系起来

新的研究表明,microRNA在大脑的高级发展中起着关键作用,包括在人类中。章鱼以其非凡的智慧吸引了科学家和公众,从使用工具到参与创造性游戏、解决问题,甚至从水族馆逃出。现在,它们的认知能力可能为理解复杂生命和认知的进化提供重要的启示,包括人类的大脑。

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来自达特茅斯学院和德国马克斯·德尔布吕克中心(MDC)的一个国际研究小组在《科学进展》杂志上发表了一项研究,揭示了章鱼是第一个含有大量基因调控microRNA的已知无脊椎动物。两种章鱼的基因被发现随着进化时间的推移,microRNA的数量增加,而microRNA与具有特定功能的高级细胞的发展有关,这一发现以前只在人类、哺乳动物和其他脊椎动物身上观察到。

共同通讯作者、达特茅斯大学生物科学教授凯文·彼得森说,当与章鱼的已知智能相结合时,这些发现为microRNA是智能生命进化的关键这一理论提供了重要支持。章鱼和鱿鱼–它们都属于一种被称为头足类的软体动物–的神经系统独立于脊椎动物而进化。然而,在章鱼和脊椎动物中普遍存在的microRNA表明,这些分子在高级认知中具有共同的作用。

彼得森说:”microRNA被称为动物基因组的’暗物质’–它们不制造蛋白质,但它们调节蛋白质的表达,”他指的是被认为构成宇宙大部分的假设物质形式,他说:”这是所有无脊椎动物中唯一一个microRNA急剧增加的例子,这些基因都在大脑中表达。这一直是对假说的一个重大考验,即它不是脊椎动物所特有的。这是一个重要的时刻–我们发现了复杂生命的秘密,而复杂生命的秘密就是microRNA。”

microRNA在1993年由维克多-安布罗斯首次报道,他在1992-2007年期间是达特茅斯大学的教授,现在是马萨诸塞大学医学院的教授。近15年来,彼得森和他的研究小组对各种动物物种的基因进行了测序,以便将microRNA与复杂的组织发展和大脑进化联系起来。

在最新的论文中,Peterson的研究小组与共同通讯作者、麻省理工学院系统生物学教授Nikolaus Rajewsky的实验室合作,该实验室拥有大量关于章鱼物种的RNA数据,特别是普通章鱼(Octopus vulgaris)。彼得森和共同作者、达特茅斯大学2022级的彼得-查博特通过从章鱼物种中测序的microRNA的原始数据,确定了在这些动物中新的或已经发现的特定序列。Chabot说,他们的工作提供了一个有组织和有注释的数据集,这对论文的发现至关重要。

彼得森的研究表明,像胎盘哺乳动物这样的生物,其基因的数量和复杂性随着进化时间的推移而增加,也表现出越来越多的microRNA的浓度。另一方面,像寄生虫这样的生物随着它们变得不那么复杂,已经失去了祖先的基因–以及microRNA。

“为了拥有新的认知能力和行为需要新的细胞类型,”彼得森说。”在胎盘哺乳动物和头足类动物–也是我们看到这些microRNA表达的基因的地方。在过去5亿年中似乎没有什么变化的动物没有非常多的microRNA。每次我们测试这个假说时,我们都发现它非常可行,而且我们还无法反驳它。这就是这篇论文特别令人兴奋的地方,”他说。

章鱼拥有一种不寻常的智慧。2016年,一只名叫Inky的章鱼从新西兰国家水族馆逃出,它从鱼缸的缝隙中滑过,用腕足把自己带到几英尺高的地板上,然后再进入一条近150英尺长的排水管,通向大海–以及他的自由,成为国际头条。人们还观察到章鱼用废弃的椰子壳收集和建造庇护所,并利用水流与各种物体玩捉迷藏。

研究报告的共同作者、挪威特罗姆瑟大学的研究小组组长巴斯蒂安-弗洛姆说,这种智慧可能源于microRNA在细胞功能多样化方面的作用,他与彼得森实验室合作进行研究,并建立了在线microRNA数据库MirGeneDB。

弗洛姆说,复杂生物体内的细胞执行专门的任务,这意味着周围的细胞需要被校准以执行额外的功能。”microRNA就像灯的开关或调光器,可以打开并调节一个细胞中成千上万种蛋白质的表达,并指定细胞可以做什么。这是个数字游戏。牡蛎和蛞蝓有microRNA,但是在头足类动物–尤其是章鱼中,它们的数量激增,与它们的智力相关。”

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