南極章魚的“御寒內功”

撰文/大慧小惠

南極章魚的“御寒內功”

撰文/大慧小惠

有科學家宣稱：生活在南極海域的章魚擁有改變自身基因的能力以適應惡劣的生存環境。

被冰雪覆蓋的南極大陸是地球上最寒冷的地區。南極海域隨處可見漂浮著的巨大冰山。在南極的冬天，浮冰面積可達1900萬平方千米，即使到了夏天，其面積也有260萬平方千米之多。生活在南極海域的章魚終年生活在寒冷的冰水里，既沒有企鵝那樣的厚實羽絨服，也沒有獨角鯨那樣的肥厚脂肪，那么它們是如何抵御極地的嚴寒呢？分子神經生理學家羅森塔爾·約書亞及其弟子，首次從分子遺傳、表觀遺傳學的角度，揭示了章魚能夠在零下幾十度低溫中生存的奧秘。

一切緣起于一次大膽的假設

之前的研究已經表明，低溫會阻礙神經系統內傳送信息的特定蛋白質。當一個神經元受到刺激的時候，胞膜上的蛋白質通道會開啟或者關閉，以使不同的離子進出。當細胞膜上的跨膜電位恢復正常后，使鉀離子流出的離子通道關閉。然而，寒冷的溫度會延遲鉀離子通道的關閉，阻礙了神經元再次產生興奮的能力。

關于生活在南極海域的章魚能夠抵抗嚴寒這問題，羅森塔爾教授這樣假設：它們的鉀離子通道的基因會因環境而進化，轉變成一種在低溫下活性更高、略微有所不通過的跨膜蛋白。這些生活在南極海域的章魚利用RNA編輯的方式，使得神經系統內的蛋白質適應環境。而經過修飾的鉀離子通道，能使這種章魚在寒冷環境中具有更高的活性。

小貼士

RNA，即核糖核酸，是一種重要的生物大分子，因分子由核糖核苷酸組成而得名。

RNA是具有細胞結構的生物的遺傳訊息中間載體，除了參與蛋白質合成外，還參與基因表達調控。每個RNA分子都由核苷酸單元長鏈組成，每個核苷酸單元含有一個含氮堿基、一個核糖苷和一個磷酸基。

對一部分病毒而言，RNA是其唯一的遺傳物質。

對比實驗驗證了之前的假設

為了驗證這種假設是否能成立，教授精心挑選了兩組章魚來進行對比實驗。一組來自于終年漂著浮冰的南極海域，生活在寒冷刺骨的冰水中；另一組則來自于陽光燦爛的波多黎各，生活在25～35℃的暗礁上。有意思的是，這兩組章魚的生活環境雖然大相徑庭，卻有著基本一致的DNA序列。

當實驗開始時，目的基因被插入到青蛙的卵細胞中，卵細胞制造出了目標蛋白質，實驗人員將目標蛋白質嵌合進它們的細胞膜上。這個操縱步驟很重要，因為它能夠測定出每個物種膜蛋白通道的活性。當兩組章魚的鉀離子通道被蛙卵制造出來后，功能是完全相同的。在正常情況下，南極章魚的鉀離子通道關閉速度要比波多黎各章魚的慢60倍。這意味著它可能無法正常生存，可事實是這種章魚仍能安然存活。由此可以推斷出：處于不同的生存環境時，它會制造出不同的鉀離子通道。

那么，來自南極海域的章魚是如何保持鉀離子通道的興奮性呢？羅森塔爾教授認為它是通過RNA編輯的方式，生成了適合低溫的特性蛋白質，以保持鉀離子通道正常閉合。

細胞先通過轉錄DNA模板產生RNA，并將其作為產生蛋白質的藍圖，進而制造出攜帶有DNA序列信息的蛋白質。在RNA編輯的過程中，細胞修飾了RNA核苷酸序列，從而改變了后來蛋白質的氨基酸序列，再改變蛋白質功能。

后續的研究揭示出，這種章魚確實在9個位點修飾了它的RNA序列，從而改變了鉀離子通道的氨基酸序列。這些位點的其中之一就在第I321V位，這對于適應寒冷非常重要，因為這個變化將鉀離子通道的關閉時間提高了1倍以上。

為了使實驗的數據更嚴謹，羅森塔爾教授也測定了其他種群的RNA編輯數量，實驗對象中2個來自熱帶種群、2個來自溫帶種群、2個來自極地種群。實驗的結果均驗證了“種群生存的環境溫度越低，它們越可能在第I321V位進行RNA編輯”的結論。

章魚是“基因大師”的意義很重大

羅森塔爾教授不僅證實了“這種生活在南極海域的章魚確實能通過RNA編輯的方式，來幫助自己更好地適應環境”，也揭示了生物適應環境的新途徑，即生物可以利用重寫 RNA，而不是改變 DNA來適應環境。

當然啦，相關研究目前還只是開始而已，后續研究還得解決諸如“是否RNA編輯夠改變種群的表型”等一系列亟需解決的問題。不過他的研究已經引發了諸如“其他生活在極端環境中的動物們，是否也是能夠改變基因以適應環境的‘基因大師’”的猜想。

或許隨著基因技術的發展，人們會發現其實最環保的節能方法就是修改人類自身RNA以適應環境。設想一下，在未來冬天里，人類不再把自己裹得像只粽子似的，也不需要極其耗能的空調，該是多么有趣的事兒啊。

小貼士

基因不僅在功能上多種多樣，在結構上也是五花八門。人類對于基因的認識，也仍在不斷的進步中。因此，想要給基因下一個非常準確并永遠適用的定義是不可能完成的任務。

就目前所掌握的知識，基因可以定義為“能夠表達出一個有功能的多肽鏈或功能RNA分子的核酸序列”。其中“RNA分子”指的是rRNA和tRNA，“核酸序列”主要指DNA。對于RNA病毒來說則指染色體RNA。