Chobotnice vs. Darwin. Rozjeli hlavonožci vlastní verzi evoluce?

- Příroda autor: Jan Toman

Tryskový pohon, osm chapadel, perfektní maskování a vynikající inteligence. Kam se hrabe Predátor. Pokud bychom na Zemi hledali předobraz mimozemských dobyvatelů, krakatice, sépie a chobotnice nic nepřekoná. V posledních letech se navíc množí důkazy, že chobotnice a jim příbuzní, dvoužábří, hlavonožci v nevídané míře zasahují do přepisu svých genů. Podle nového výzkumu dokonce bývají tyto zásahy vyvážené menší proměnlivostí na úrovni DNA. To nedokazuje nic menšího, než že si dvoužábří rozvinuli speciální způsob přizpůsobování změnám prostředí.

Chobotnice si zřejmě vyvinuly vlastní způsob evoluce. Ilustrační snímek

Chobotnice si zřejmě vyvinuly vlastní způsob evoluce. Ilustrační snímek,zdroj: Profimedia.cz

Už od starověku představují chobotnice cosi divného. Ani ryba ani rak, přičemž prapodivný vzhled doplňují ještě exotičtější vlastnosti. Žádný jiný tvor na Zemi neoplývá srovnatelnou schopností barvoměny. Tu přitom chobotnice nevyužívají jen k maskování při lovu nebo úniku před dravci, ale také k signalizaci svého vnitřního rozpoložení. Kromě toho chobotnice staví podmořské zahrádky z různobarevných předmětů, dokáží řešit složité rébusy a občas na výzkumníky zkouší kanadské žertíky. Aby toho nebylo málo, chobotnice i jim příbuzné krakatice a sépie jsou rychlými, důmyslnými a pozornými predátory.

Všechny tyto vlastnosti vyžadují velký a výkonný mozek. Zejména u chobotnic jeho skutečné rozměry dalece přesahují vše, co bychom čekali od měkkýšů – skupiny, pod jejíž hlavičkou si představíme spíše laxní plže či mlže. Chobotnice pobřežní se může chlubit půlmiliardou nervových buněk, což je zhruba pětinásobek počtu neuronů u myši. Ty jsou navíc organizovány v mozku se specializovanými mozkovými laloky umožňujícím učení a složité vzorce chování.

Už nějakou dobu proto biologové zkoumají, co chobotnice a jejich příbuzné učinilo tak výjimečnými. V dřívějších letech se výzkum zaměřoval hlavně na mozek chobotnic, jeho stavbu a zvláštnosti. Podstatnější rozdíly ovšem, zdá se, leží daleko hlouběji – na úrovni samotné DNA a hlavně způsobu, jakým s ní dvoužábří nakládají.

Jak pracovat s geny

Všechny organismy na Zemi podle pořadí "písmen" v DNA vytvářejí své proteiny – bílkoviny, s jejichž pomocí následně regulují fungování těla, nebo staví nové buňky a tkáně. Mezi DNA a bílkovinami ovšem stojí důležitý převodník. V jádře se totiž nejprve musí úsek DNA přepsat do jiné nukleové kyseliny, RNA. Teprve ta slouží jako pomyslný "děrný štítek" pro vytváření bílkovin v buněčných orgánech zvaných ribozomy.

Některé organismy ve své evoluci vyvinuly metody, prostřednictvím kterých mohou do přepsaného úseku RNA zasahovat. Když se podržíme technického příkladu, dělají něco podobného, jako kdybychom děrný štítek před finálním použitím ještě sami mírně upravili. Svým způsobem se tak někteří zástupci pozemského života naučili obejít jednoduchou evoluci na úrovni genů a jejich mutací.

Háček se ale skýva v tom, že drtivá většina organismů – mezi které mimochodem patříme i my, lidé – podobné úpravy RNA sice umí, ale moc nevyužívá. Různé studie mluví o zhruba třech procentech lidských RNA přepisů a jednom až čtyřech procentech přepisů u mouchy octomilky, které jsou k podobným úpravám náchylné. Většina míst pro úpravu se však nachází v úsecích RNA, které nemají reálný vliv na funkci výsledné bílkoviny. Mezi různými, třeba i blízce příbuznými, organismy se navíc dost liší. To vše značí, že patrně nemají důležitou biologickou funkci.

Upraveno nejméně deset procent bílkovin

Tým izraelských a amerických biologů však nedávno dokázal, že pro dvoužábré hlavonožce platí pravý opak. Množství míst pro úpravu přepsaného úseku RNA podle všeho stoupá u olihní, krakatic a chobotnic oproti ostatním organismům možná až stonásobně. Dříve odvětvené schránkou chráněné loděnky, stejně jako ještě vzdálenější mořští plži, přitom druhotné úpravy RNA nevyužívají o nic víc než ostatní živočichové. Celý systém se tak patrně začal rozvíjet před asi 350 až 480 miliony let.

Když se vědci zaměřili na nervové buňky dvoužábrých, zjistili, že změny vykazuje nejméně desetina všech bílkovin, jejichž "děrný štítek" ve formě RNA nesl značky pro úpravu. Studium zaměřené na chobotnici dvouskvrnnou, jejíž genom se podařilo přečíst, ukázalo, že se úpravy ve zhruba 12 % případů odehrávají v částech RNA přímo kódujících vznikající proteiny. Co se týče nervových buněk, stoupá tento poměr ještě o něco víc.

Tkáně ve zbytku těla jsou naopak na úpravy RNA a potažmo bílkovin o něco chudší. Stejné výsledky ukázala také analýza modifikované RNA – jednalo se převážně o RNA přepsanou podle genů s důležitými funkcemi v nervové soustavě. U primátů naopak dochází k takřka všem úpravám v těch částech RNA, jejichž změna nemá na výslednou bílkovinu žádný vliv.

Už podle předchozích výsledků bylo prakticky jasné, že mají úpravy RNA u dvoužábrých hlavonožců důležitou funkci. Tento závěr ale ještě podpořil fakt, že zhruba dvě třetiny úprav RNA fakticky mění výsledný "děrný štítek". U savců je takových úprav jen malý zlomek. Tisíce z těchto změn sdílí i poměrně vzdálené druhy hlavonožců, takže musí být v evoluci dlouhodobě konzervované. Čím víc úprav navíc prodělávaly dané úseky RNA, tím mezi druhy vykazovaly menší rozdíly. To vše značí, že jsou úpravy RNA pro hlavonožce výhodné a vyplatí se jim systém udržovat.

Méně genových mutací

Definitivní důkaz o tom, že jsou pro dvoužábré hlavonožce úpravy RNA výhodné, přinesla analýza samotných bílkovin. Při ní vyšlo najevo, že se bílkoviny vytvořené podle upravených "děrných štítků" ve své funkci často i podstatně liší. Pozměněné draslíkové kanály nervových buněk se například v reakci na podněty dříve otevíraly nebo později zavíraly. Dynamika změn se podle různých úprav u různých druhů lišila, je ale zřejmé, že všechny zdokumentované změny mohou být za určitých okolností vysoce výhodné a výrazně ovlivňovat vývoj nebo výkon mozku.

Zdaleka nejvýznamnější je ovšem zjištění, že vyšší míra úprav RNA vede k nižší frekvenci mutací a potažmo zpomalení "klasické" evoluce na úrovni genů. Není se čemu divit. Pokud přináší evoluční linii výhodu schopnost modifikovat úseky RNA, jakákoli změna DNA, podle které se tyto úseky přepisují, může celý systém narušit. Tlak přirozeného výběru proto vede ke snížení počtu vznikajících mutací i počtu různých genových variant, které se v populaci dlouhodobě udrží. Celkový efekt může být velmi výrazný – počet mutací se může snížit až o desítky procent.

Série objevů samozřejmě vyvolává ještě více otázek. Jak například dokáží dvoužábří hlavonožci zajistit, aby bílkoviny vyrobené podle několikrát pozměněných "děrných štítků" dobře fungovaly? Do jaké míry hlavonožci utlumili svou evoluci na úrovni genů? Představuje vývoj na úrovni přepisů RNA novou úroveň evolučního procesu, nikoli nepodobnou třeba kulturní evoluci u lidí? A jak se tato nová úroveň evoluce od té základní vlastně liší? Na všechny tyto důležité otázky odpoví až další výzkum.

Zdroj: N Liscovitch-Brauer, S Alon, HT Porath, ... & E Eisenberg (2017): Trade-off between transcriptome plasticity and genome evolution in cephalopods. Cell, 169.

Tagy: chobotnice evoluce genetika zvířata a příroda věda a poznání hlavonožci