Tintenfische editieren RNA an Tausenden Stellen und verändern ihre Proteine

Tintenfische schreiben die Bauanleitungen für ihre Proteine in einem Ausmaß um, das bei keinem anderen bekannten Tier erreicht wird, und diese Änderungen verändern, was die Proteine tun. Ein Team unter Leitung von Biowissenschaftlern der University of California, San Francisco, hat dies beim Atlantischen Pfeilkalmar (Doryteuthis pealeii) kartiert; die Arbeit erschien im Oktober in Cell.

Der Mechanismus heißt ADAR-vermitteltes RNA-Editing. ADAR steht für Adenosin-Desaminase, die auf RNA wirkt, eine Familie von Enzymen, die einzelne Buchstaben in der RNA verändern, der vorübergehenden Kopie eines Gens, die Zellen ablesen, um ein Protein zu bauen. Das Ergebnis ist ein anderes Protein aus demselben Gen, während die DNA unverändert bleibt. Ein Koautor beschreibt es vereinfacht so, als würde man ein Rezept ausdrucken und kurz bevor es beim Bäcker ankommt Rosinen gegen Schokoladenstückchen austauschen.

Wie das Team die Änderungen untersuchte

Auch Menschen und andere Tiere editieren RNA, doch die Coleoidea unter den Kopffüßern, zu denen Tintenfische, Kraken und Sepien gehören, tun es weit häufiger als alle anderen. Frühere Arbeiten hatten ihr Editing mit der Kommunikation im Nervensystem in Verbindung gebracht, möglicherweise als Reaktion auf Bedingungen wie Temperaturschwankungen. Bisher war wenig darüber bekannt, was die Änderungen mit den Proteinen selbst machen.

Die Forscher untersuchten das Proteom, die Gesamtheit von etwa 24.000 Proteinen, des Atlantischen Pfeilkalmars. Sie analysierten fast 8000 editierte Stellen in mehr als 2000 verschiedenen Proteinen in zwei Geweben: dem Sehlappen, dem Teil des Gehirns, der das Sehen und die Reaktionen darauf steuert, und den Kiemen, einem schlichteren Atmungsorgan. Der Sehlappen zeigte häufigeres und komplexeres Editing, was zu der Vorstellung passt, dass die starke ADAR-Aktivität der Kopffüßer und ihr komplexes Nervensystem, das komplexeste unter den Wirbellosen, gemeinsam entstanden sind. Die Änderungen liegen in proteinkodierenden Sequenzen und nicht in nichtkodierenden Abschnitten des Genoms.

Was die Änderungen bewirken

„Wir fanden Auswirkungen auf die Proteinaktivität, die Stabilität, die Lokalisierung und sogar darauf, wie sie mit anderen Proteinen interagieren. Die nachgelagerten Effekte reichen sogar so weit, die Gesundheit von Organellen zu regulieren“, sagte Erstautor Jack Moen, Zell- und Molekularwissenschaftler an der UCSF, gegenüber ScienceAlert. „Indem sie die RNA-Anweisungen zur Herstellung von Proteinen editieren, können diese Tiere Proteine mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen, und das alles, ohne ihre DNA zu verändern.“

• Einige Änderungen liegen in den ADAR-Proteinen selbst, was darauf hindeutet, dass die Editoren ihre eigene Aktivität regulieren können.
• Das Team identifizierte 5000 kurze Proteine, die im Referenzproteom des Kalmars und in Swiss-Prot fehlen, einer kuratierten Proteindatenbank, die 14.000 Organismen abdeckt.
• Editierte Proteine können an einem anderen Ort in der Zelle landen und sich von der Peripherie in Richtung Zellkern verlagern.
• Die Umkodierung könnte die Mitochondrien des Kalmars, die energieerzeugenden Organellen der Zelle, den menschlichen ähnlicher machen: stabiler unter wechselnden Bedingungen und besser darin, sich selbst zu recyceln.
• Sie scheint auch die Kreatinsysteme zu beeinflussen, die Energieschübe für schnelle Fluchtbewegungen und anspruchsvolle Gehirnverarbeitung liefern.

Warum die Zahlen so groß sind

Da jede Änderung nur eine Base verändert und die DNA unberührt lässt, gibt sie keine schädlichen Mutationen an die Nachkommen weiter. Zählt man alle in den RNA-Sequenzierdaten gefundenen Stellen, so Moen, beläuft sich die theoretische Zahl möglicher Proteinvarianten auf etwa 10²⁴⁸, weit mehr als die Zahl der Atome im Universum. „Sie beschreiben eine enorme potenzielle Vielfalt“, sagte Moen. Wie viel von dieser Vielfalt die Tiere tatsächlich hervorbringen, ist weiterhin unbekannt.

Warum Kopffüßer dies tun und andere Tiere nicht, ist nur teilweise geklärt: Es hängt mit der Struktur ihrer ADAR-Enzyme und mit weiteren Gründen zusammen, die mehr Forschung erfordern. Weitere Wissenschaftsberichte finden Sie in unserem Bereich Wissenschaft.