Los pulpos, calamares y las jibias a menudo no siguen las instrucciones genéticas de su ADN al pie de la letra. En su lugar, usan enzimas para extraer bases específicas adenosina en el ARN que codifican proteínas y las reemplazan con una base diferente, llamada Inosina. Este proceso, llamado «edición de ARN», se utiliza raramente para recodificar proteínas en la mayoría de los animales, pero los pulpos y sus familiares modifican los pares de bases de ARN en más de la mitad de sus genes transcritos.
Cuando los investigadores hicieron experimentos para cuantificar y caracterizar la extensión de esta edición de ARN a través de las especies de cefalópodos, encontraron evidencia de que esta estrategia genética ha limitado profundamente la evolución del genoma de los cefalópodos. El estudio fue publicado en la revista Cell el pasado 6 de abril.
Los investigadores han descubierto que los pulpos utilizan la edición de ARN para adaptarse rápidamente a los cambios de temperatura (DOI: 10.1126 / science.1212795) y que la mayoría de las transcripciones de ARN en las neuronas de calamar contienen estas ediciones (DOI: 10.7554 / eLife.05198). En el nuevo estudio, los investigadores esperaban descubrir qué tan comunes son estas ediciones, cómo evolucionaron a lo largo del linaje de los cefalópodos y cómo tales extraordinarias capacidades de edición afectan la evolución del genoma de los cefalópodos.
Las células vertebradas son capaces de editar ARN, pero lo usamos muy raramente. Los seres humanos tienen 20.000 genes, pero sólo unas pocas docenas de sitios de edición de ARN conservados que probablemente codifican proteínas funcionales. Los calamares también tienen alrededor de 20.000 genes, pero tienen al menos 11.000 sitios activos de edición de ARN que afectan al proteoma (conjunto total de proteínas expresadas en una célula), muchos de los cuales se conservan, de acuerdo con las estimaciones de este estudio. «Básicamente, este es un mecanismo para fabricar proteínas que no están codificadas en el ADN; y que no están presentes en la secuencia genómica», dice el coautor del estudio, Eli Eisenberg, biofísico de la Universidad de Tel Aviv en Israel. «Con estos cefalópodos, esto no es la excepción, la regla es que la mayoría de las proteínas están siendo editadas».
De hecho, la edición de ARN es tan rara que no se considera parte del «dogma central» de la genética. «Desde que Watson y Crick descubrieron que la información genética está almacenada en el ADN, hemos tenido esta opinión de que toda la información se almacena en el ADN y se copia fielmente a otra molécula cuando se usa, es decir, el ARN, y de ahí es traducido a las proteínas que hacen todo el trabajo. Y se supone generalmente que ese es un proceso bastante fiel», explica el coautor del estudio Joshua Rosenthal, un neurobiólogo de cefalópodos en el Laboratorio Biológico Marino en Woods Hole, MA. «Lo que el ARN del calamar está mostrando es que ese no es siempre el caso, que, de hecho, estos organismos han desarrollado un poderoso medio para manipular la información en el ARN».
El análisis a través de diferentes especies de cefalópodos reveló que este patrón era cierto en dos especies de pulpo, en la jibia común y una especie de calamar, todos ellos pertenecientes a la subclase «coleóide» dentro de los cefalópodos, los cuales son conocidos por su compleja caza y comportamientos sociales. Sin embargo, cuando los investigadores revisaron los signos de la edición de ARN en uno de los parientes más alejados del pulpo, el Nautilus pompilius, encontraron niveles mucho más bajos de edición de ARN. Los niveles de edición de ARN también fueron bajos en la babosa de mar de California, un molusco no cefalópodo que los investigadores utilizaron para la comparación.
La extensa edición de ARN resultó tener fuertes consecuencias evolutivas. Las enzimas de edición de ARN sólo pueden trabajar con pares de bases que están rodeadas por una superestructura de ARN grande. Si las bases a ambos lados de la secuencia objetivo para edición llegan a mutar, entonces el organismo puede perder la capacidad de editar ese objetivo. Los ávidos recodificadores de ARN, como pulpos y calamares, no pueden permitirse mutaciones del ADN en sus genes editables por ARN, por lo que han renunciado a los beneficios de un genoma de ADN que muta con frecuencia a favor de la edición de ARN, según afirman los investigadores.
Este resumen visual describe los hallazgos de Liscovitch-Brauer et al., que muestra como los cefalópodos de comportamiento complejo usan ampliamente la edición de ARN para diversificar su proteoma neuronal a costa de limitar la flexibilidad y evolución de su secuencia genómica. Imagen: Liscovitch-Brauer et al./Cell 2017
La mayoría de los organismos usan ampliamente el empalme, el proceso de cortar o agregar secciones enteras de transcritos de ARN antes de abandonar el núcleo celular, para así diversificar sus proteomas, pero priorizando la flexibilidad del ADN por sobre la edición de ARN. «Por lo general pensamos en la evolución usando lo que sea posible para responder a algunos desafíos, ¿por qué no se usó la recodificación de ARN?» Dice Eisenberg. «Ahora, tenemos un ejemplo de lo que sucede cuando usamos la edición de ARN en abundancia. Sabemos que hay un precio. El precio es frenar la evolución del genoma… Los cefalópodos probablemente optaron por tomar este acuerdo de ARN sobre la evolución del genoma, y tal vez los vertebrados tomaron la otra opción: preferían la evolución del genoma sobre la edición [de ARN]”.
Dado que muchos de los ARN más editados codifican para proteínas neuronales clave, los investigadores se preguntan si la edición de ARN podría contribuir a la notable inteligencia de los pulpos y sus familiares. No sólo son lo suficientemente inteligentes como para cazar, los pulpos son lo suficientemente inteligentes como para escapar de frascos, usar cáscaras de coco para ocultarse, señalar a otros cambiando su color de piel y aprender a través de la observación.
«Son el único taxón que se acerca a los vertebrados en términos de complejidad de comportamiento», dice Rosenthal. «Estos coleóides conductualmente complejos tienen esta edición tremenda del RNA, particularmente en su sistema nervioso, donde están recodificando los ARN mensajeros que codifican para las mismas cosas que son importantes para la excitabilidad eléctrica.»
Los investigadores están trabajando en un modelo animal de pulpo para averiguar si la edición de ARN juega un papel fundamental en el comportamiento de los cefalópodos. Experimentos que se ocupen de la función de la edición de ARN en el comportamiento requerirá un pulpo que crezca bien en los laboratorios y pueda manipularse genéticamente.
«La edición de ARN es un sistema elegante para agregar flexibilidad a su información genética», dice Rosenthal, «pero es un verdadero desafío saber cuándo se está usando y cómo se está usando».