Octopussen zijn hele slimme, maar ook rare dieren. Zo hebben ze bijna net zoveel neuronen als honden, maar bevindt meer dan de helft daarvan zich ergens op de acht tentakels van de dieren en niet zoals je zou verwachten in de hersenen. En onderzoekers hebben nog een bizar trekje ontdekt. Octopussen kunnen namelijk hun neuronen hercoderen zodat ze beter tegen kou kunnen.
Het gaat om zogenoemde RNA-bewerking. RNA, voluit ribonucleïnezuur is een genetisch molecuul dat de instructies van DNA in zich draagt om eiwitten te produceren, die je weer zou kunnen zien als de werkpaarden van de cellen. De octopussen gebruiken deze methode om zich aan te passen aan temperatuurverandering, vooral bij de wisseling van de seizoenen. “Ze kunnen een lagere temperatuur voor korte tijd wel verdragen, maar ze houden het niet lang vol zonder aanpassing. Net als mensen: wij kunnen ook korte tijd tegen de kou, maar als het langer duurt raken we onderkoeld”, vertelt onderzoeker Eli Eisenberg in een uitgebreid gesprek met Scientias.nl.
De diepte in
Of octopussen een ander mechanisme hebben voor als ze korte tijd in kouder water zijn, wanneer ze bijvoorbeeld naar dieper water zwemmen, is onduidelijk. “Wat we wel kunnen zeggen is dat de RNA-bewerking waarschijnlijk niet betrokken is bij aanpassingen op korte tijdschalen, dus binnen uren of minuten en juist wel bij veranderingen binnen enkele dagen dus ze zijn goed toegerust om te reageren op het verschil tussen zomer en winter”, reageert Eisenberg.
Een volgende belangrijke vraag was: in welke mate bewerken octopussen hun RNA om zich aan te passen aan de temperatuur. “We hadden verwacht enkele verschillen te zien. Daarom begonnen we ook de studie. Maar ik ging uit van een klein aantal plekken, misschien tien, twintig, hooguit honderd. Ik was echter verrast, want we ontdekten dat een derde van de locaties gevoelig was voor temperatuur. En dat niet alleen, in bijna alle gevallen gingen de wijzigingen één richting op: van warm naar koud.” De octopussen bewegen zich dus natuurlijker in warm water en passen zich dan aan het koudere water aan.
RNA-bewerking treedt op als een externe kracht bepaalde enzymen activeert in de cellen van het lichaam, die vervolgens chemische veranderingen aanbrengen in het RNA. Afhankelijk van de veranderingen produceren de cellen verschillende vormen van eiwitten. Omdat RNA een tijdelijk molecuul is, zullen eventuele veranderingen die worden aangebracht in de genetische informatie niet permanent zijn – een eigenschap die het in theorie een krachtig instrument maakt voor een snelle aanpassing aan veranderende omgevingscondities. Bij mensen beïnvloedt RNA-bewerking de eiwitproductie in minder dan 3 procent van de genen. Rosenthal en zijn collega’s ontdekten echter eerder al dat bijna alle soorten cephalopoden het merendeel van de neurale eiwitten kunnen hercoderen.
Temperatuurschommelingen
De onderzoekers waren benieuwd welke factoren de RNA-bewerking stimuleren. Ze zijn begonnen met de factor temperatuur, omdat dit een redelijk eenduidige omgevingsconditie is die bovendien flink fluctueert, niet alleen op korte termijn – tussen bijvoorbeeld dag en nacht – maar ook langduriger zoals tussen de seizoenen. Daartoe verzamelden de wetenschappers twaalf Californische tweevlekkige octopussen (Octopus bimaculoides). De voordelen van deze dieren zijn groot, legt Eisenberg uit. “We hadden het genoom van deze dieren al gesequenced en in 2017 ook al de plekken van de RNA-bewerking in kaart gebracht. Bovendien zijn ze klein waardoor ze makkelijk te hanteren zijn. Als je een reuzeninktvis neemt heb je hele grote watertanks nodig, terwijl je de tweevlekkige octopus makkelijk kunt laten groeien in kleine aquariums. De dieren zijn ook snel groot, al binnen enkele weken.”
De wetenschappers lieten de dieren wennen aan tanks met warm of koud water. Enkele weken later onderzochten ze ongeveer 60.000 eerder geïdentificeerde locaties in de genomen van de dieren, waar enzymen het RNA bewerken. Ze ontdekten dat dus ongeveer een derde van die locaties was veranderd en dat deze veranderingen snel plaatsvonden, binnen enkele uren tot enkele dagen. “We verwachtten hier en daar een paar veranderde locaties te zien, maar nee, dit gebeurde overal”, zegt Eisenberg.
Specifieke eiwitten
Bijna alle veranderingen werden veroorzaakt door kou, ontdekte het team. Enkelen waren gecodeerd voor specifieke klassen eiwitten die betrokken zijn bij celmembranen, de functies van synapsen (die neuronale signalen overdragen), autofagie (geprogrammeerde celdood) en de binding van calcium (dat verschillende rollen heeft binnen neuronen). De onderzoekers bevestigden dat de eiwitten die ontstaan door bewerkt RNA, veranderde functies hadden. Maar “we weten nog niet hoe deze duizenden veranderingen, of een deel ervan, aanpassing bevorderen”, zegt Eisenberg. “Om het effect van al deze veranderingen gezamenlijk te begrijpen, moeten we meer onderzoek doen.”
Belangrijk aminozuur
In tegenstelling tot mensen en andere zoogdieren kunnen octopussen hun eigen temperatuur niet reguleren. Daarom vermoeden de onderzoekers dat RNA-bewerking een rol speelt bij het beschermen van de neuronen van deze ongewervelde dieren tegen temperatuurfluctuaties. “Het organisme kiest ervoor om verschillende eiwitten tot expressie te brengen, en elke daarvan is beter in zijn eigen omstandigheden”, zegt Eisenberg. “Er is zelfs geen enkel voorbeeld bekend dat dit ook bij zoogdieren gebeurt.”
De wetenschappers bestudeerden enkele aanpassingen van dichtbij. Zo was er een aminozuur dat alle dieren en mensen op dezelfde positie hebben. “Dus we vonden het erg vreemd dat juist dit aminozuur door RNA-bewerking werd veranderd. Vermoedelijk is dit aminozuur erg belangrijk en toch kiest de octopus ervoor om het te veranderen”, klinkt het verbaasd. Dat vond de onderzoeker erg bijzonder.
Calcium
Het andere voorbeeld is een eiwit dat verantwoordelijk is voor het detecteren van calcium. Calcium is iets heel belangrijks voor neuronen. Daarmee geven ze signalen aan elkaar door. En het eiwit dat verantwoordelijk is voor calcium en al deze biochemische interacties, verandert daadwerkelijk significant. “Dus opnieuw hebben we iets belangrijks dat, naar alle waarschijnlijkheid, essentieel is voor de hersenfunctie en toch is het onderhevig aan RNA-bewerking.” De voorbeelden dienen om te laten zien dat er niet zomaar wat onbelangrijke dingen veranderen door RNA-bewerking.
Ook in het echt
De onderzoekers hadden tenslotte nog een laatste prangende vraag: gebeurt dit niet alleen in het lab, maar ook in het echt? Daartoe verzamelde het team ook wilde octopussen, waaronder een andere nauw verwante soort, de Verrill’s tweevlekkige octopus (Octopus bimaculatus), in de zomer en in de winter. De onderzoekers ontdekten dat deze exemplaren dezelfde temperatuur-gerelateerde RNA-veranderingen vertoonden als de Californische tweevlekkige octopussen die ze in het laboratorium hadden getest.
“We vroegen ons af: zien we in de oceaan verschillen tussen zomer en winter bij de octopussen?” vertelt Eisenberg. “Daarvoor gingen we dus opnieuw naar Californië waar deze dieren leven. We deden temperatuurmetingen in het water om te bepalen wanneer de temperatuur het hoogst en het laagst is. En inderdaad zagen we hetzelfde gedrag en dezelfde verschillen. De dieren in het water hebben verschillende bewerkingsniveaus in de zomer en in de winter. En niet alleen dat, ook verwante soorten octopussen die op dezelfde plaats leven, vertoonden dezelfde veranderingen in het RNA.”
Hoge prijs
Maar het behoud van zoveel bewerkingslocaties komt tegen een prijs, legt Eisenberg uit. “Het vertraagt de evolutie van het genoom. Het in stand houden van al die bewerkingen vereist een bepaalde RNA-structuur. Niet alleen de specifieke locatie moet geconserveerd worden, maar ook het omliggende RNA, zodat het de juiste structuur vormt. En wanneer je tienduizenden locaties hebt en elk ervan conservatie van, laten we zeggen, honderd tot tweehonderd plekken oplevert, kom je uit op miljoenen locaties die onder evolutionaire beperkingen staan en niet snel evolueren in vergelijking met andere delen van het genoom.”
Het is dus een compromis. “RNA-bewerking kan heel krachtig zijn, maar het vertraagt de genoomevolutie”, vertelt de onderzoeker. “En dan is het de vraag wat beter is. In de biologie gaat het meestal zo: aan de ene kant is er een voordeel en aan de andere kant betaal je een prijs. En dan leiden verschillende evolutionaire routes tot verschillende resultaten.”
Vervolgonderzoek
De wetenschapper kijkt uit naar vervolgonderzoek. Er liggen nog genoeg vragen: “Kunnen we meer voorbeelden vinden van omgevingsveranderingen die RNA-bewerkingen veroorzaken en kunnen die bewerkingen helpen om daarmee om te gaan? We denken er nu aan om te kijken naar hypoxie, bijvoorbeeld. Wat gebeurt er wanneer het zuurstofniveau in het water verandert? We denken ook aan sociale veranderingen, namelijk het verschil tussen dieren die in eenzaamheid leven en dieren die in de nabijheid van anderen leven.” Er valt dus nog van alles te ontdekken aan de fascinerende achtarmige zeedieren.
