Головоногие, такие как осьминоги, кальмары и каракатицы, — очень умные животные со сложной нервной системой. В Science Advances группа под руководством Николауса Раевски из Центра Макса Дельбрюка показала, что их эволюция связана с резким расширением их репертуара микроРНК.
Если мы зайдем достаточно далеко в историю эволюции, мы столкнемся с последним известным общим предком человека и головоногих: примитивным червеобразным животным с минимальным интеллектом и простыми пятнами на глазах. Позже животный мир можно разделить на две группы организмов — с позвоночником и без позвоночника. В то время как у позвоночных, особенно у приматов и других млекопитающих, развился большой и сложный мозг с разнообразными когнитивными способностями, у беспозвоночных этого не произошло. За одним исключением: головоногие.
Ученые долго задавались вопросом, почему такая сложная нервная система смогла развиться только у этих моллюсков. Теперь международная команда под руководством исследователей из Центра Макса Дельбрюка и Дартмутского колледжа в США выдвинула возможную причину. В статье, опубликованной в журнале Science Advances, они объясняют, что осьминоги обладают значительно расширенным репертуаром микроРНК (миРНК) в своей нервной ткани, что отражает аналогичные разработки, которые произошли у позвоночных.
«Итак, это то, что связывает нас с осьминогом», — говорит профессор Николаус Раевски, научный руководитель Берлинского института медицинской системной биологии Центра Макса Дельбрюка (MDC-BIMSB), руководитель лаборатории системной биологии элементов, регулирующих гены, и последний автор газеты. Он объясняет, что это открытие, вероятно, означает, что микроРНК играют фундаментальную роль в развитии сложного мозга.
В 2019 году Раевски прочитал публикацию о генетических анализах, проведенных на осьминогах. Ученые обнаружили, что у этих головоногих происходит много редактирования РНК — это означает, что они широко используют определенные ферменты, которые могут перекодировать их РНК.
«Это навело меня на мысль, что осьминоги могут не только хорошо редактировать, но и иметь в рукаве другие трюки с РНК», — говорит Раевски. И поэтому он начал сотрудничество с морской исследовательской станцией Stazione Zoologica Anton Dohrn в Неаполе, которая прислала ему образцы 18 различных типов тканей мертвых осьминогов.
Результаты анализов были неожиданными: «Действительно, происходило много редактирования РНК, но не в тех областях, которые, по нашему мнению, представляют интерес», — говорит Раевски. Самым интересным открытием было на самом деле резкое расширение хорошо известной группы генов РНК, микроРНК.
Всего было обнаружено 42 новых семейства микроРНК, особенно в нервной ткани и в основном в головном мозге. Учитывая, что эти гены были законсервированы во время эволюции головоногих, команда пришла к выводу, что они были явно полезны для животных и, следовательно, функционально важны.
Rajewsky занимается исследованием микроРНК более 20 лет. Вместо того, чтобы транслироваться в матричные РНК, которые доставляют инструкции по производству белка в клетке, эти гены кодируют небольшие фрагменты РНК, которые связываются с матричной РНК и, таким образом, влияют на производство белка. Эти сайты связывания также сохранялись на протяжении всей эволюции головоногих моллюсков — еще одно указание на то, что эти новые miRNAs имеют функциональное значение.
«Это третье по величине распространение семейств микроРНК в мире животных и самое большое за пределами позвоночных», — говорит ведущий автор, доктор медицинских наук Григорий Золотаров. «Чтобы дать вам представление о масштабах, скажем, что устрицы, которые также являются моллюсками, приобрели всего пять новых семейств микроРНК с тех пор, как их предки были общими с осьминогами, в то время как осьминоги приобрели 90».
Устрицы, добавляет Золотаров, не особо известны своим интеллектом.
Увлечение Раевски осьминогами началось много лет назад во время вечернего визита в Аквариум Монтерей-Бей в Калифорнии. «Я увидел это существо, сидящее на дне резервуара, и мы провели несколько минут — так я думал — глядя друг на друга». Он говорит, что взгляд на осьминога сильно отличается от взгляда на рыбу: «Это не очень научно, но их глаза действительно излучают разум». У осьминогов такие же сложные «камерные» глаза, как и у людей.
С эволюционной точки зрения осьминоги уникальны среди беспозвоночных. У них есть как центральный мозг, так и периферическая нервная система, способная действовать независимо. Если осьминог теряет щупальце, щупальце остается чувствительным к прикосновению и все еще может двигаться. Причина, по которой только у осьминогов развились такие сложные функции мозга, может заключаться в том, что они очень целенаправленно используют свои руки — например, как инструменты для вскрытия раковин.
Осьминоги также демонстрируют другие признаки интеллекта: они очень любопытны и могут запоминать вещи. Они также могут узнавать людей и на самом деле любить одних больше, чем других. Теперь исследователи считают, что они даже видят сны, поскольку во сне меняют свой цвет и структуру кожи.
«Говорят, если хочешь встретить инопланетянина, займись дайвингом и подружись с осьминогом», — говорит Раевски. Теперь он планирует объединить усилия с другими исследователями осьминогов, чтобы сформировать европейскую сеть, которая позволит расширить обмен между учеными. Хотя сообщество в настоящее время невелико, по словам Раевски, интерес к осьминогам растет во всем мире, в том числе среди исследователей поведения.
Он говорит, что интересно анализировать форму интеллекта, которая развилась совершенно независимо от нашего собственного. Но это непросто: «Если вы проводите с ними тесты, используя в качестве поощрения легкие закуски, они вскоре теряют интерес. По крайней мере, так мне говорят мои коллеги», — говорит Раевски.
«Поскольку осьминоги не являются типичными модельными организмами, наши молекулярно-биологические инструменты были очень ограничены», — говорит Золотаров. «Поэтому мы еще точно не знаем, какие типы клеток экспрессируют новые микроРНК». Сейчас команда Раевского планирует применить технику, разработанную в лаборатории Раевского, которая сделает клетки в ткани осьминога видимыми на молекулярном уровне.
