Древняя перестройка генома: ученые объяснили, что сделало осьминогов такими умными

Головоногие моллюски — осьминоги, кальмары и каракатицы — обладают самой сложной нервной системой среди беспозвоночных. Они решают задачи, мгновенно маскируются и демонстрируют поведение, которое обычно связывают с позвоночными. Новое исследование Венского университета показывает: ключ к этой сложности может лежать не только в генах, но и в том, как ДНК упакована внутри клетки.

Древняя перестройка, изменившая все

Около 450 миллионов лет назад у предка современных колеоидных головоногих произошло событие, которое исследователи называют древней перестройкой хромосом. Геном был масштабно реорганизован: хромосомы сливались, фрагменты перемещались, и участки ДНК, которые раньше находились далеко друг от друга, оказывались в непосредственной близости.

Эта перестройка затронула не только линейную последовательность генов, но и трехмерную архитектуру генома — то, как нить ДНК складывается и упаковывается внутри ядра. Участки, которые раньше были разделены, начали физически контактировать друг с другом.

Что нашли в геноме

Команда ученых сравнила трехмерную организацию генома у трех видов: гавайского кальмара-бобтейла, обыкновенной каракатицы и калифорнийского осьминога. Исследователи объединили данные о структуре ДНК с информацией об активности генов.

Оказалось, что крупные структурные блоки генома — домены хроматина — остаются на удивление стабильными на протяжении миллионов лет эволюции. А вот более мелкие связи, так называемые хроматиновые петли, оказались крайне изменчивыми. Они различались между видами, тканями и стадиями развития.

Особенно важным оказалось то, что эти петли часто располагались рядом с генами, связанными с ключевыми особенностями головоногих, включая развитие нервной системы. У осьминогов таких перестроек было особенно много.

«Регуляторная запутанность»

Исследователи предложили термин «регуляторная запутанность» для описания процесса, который они наблюдают. Когда участки ДНК, оказавшиеся рядом из-за хромосомных перестроек, начинают взаимодействовать, они постепенно формируют все более взаимосвязанные регуляторные сети. Эти связи могут укрепляться со временем, создавая новые паттерны активности генов.

По сути, трехмерная структура ДНК перестает быть просто следствием эволюции. Она сама становится активным участником: задает, какие гены могут включаться, а какие остаются под запретом. Это меняет представление о том, как в природе возникают новые сложные признаки.

Что это значит

Результаты показывают, что эволюция — это не только изменения в последовательности генов. То, как ДНК сложена в пространстве, может направлять эволюционные траектории и создавать условия для появления новых форм биологической сложности.

У головоногих эта трехмерная архитектура, вероятно, сыграла ключевую роль в формировании их необычно сложной нервной системы. И хотя исследование касается моллюсков, оно затрагивает общий принцип: организация генома в пространстве может быть не менее важна, чем сами гены.

Итоги работы ученых опубликованы в журнале Nature Communications.