Осьминоги, кальмары и каракатицы, которых называют колеоидными головоногими моллюсками, в ходе эволюции обзавелись исключительно крупной и сложной нервной системой, способной к таким формам поведения, как решение задач и быстрая маскировка. Новое исследование ученых из Венского университета предполагает, что истоки этой сложности могут крыться не только в самих генах, но и в трехмерной организации генома. Исследователи обнаружили, что древняя масштабная реорганизация генома изменила расположение ДНК внутри клетки. Эти сдвиги привели к соприкосновению ранее удаленных участков ДНК, что изменило способ регуляции генов. Понимание этого процесса может изменить представление о появлении новых признаков в ходе эволюции. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Команда исследователей изучила трехмерную структуру генома осьминогов, кальмаров и каракатиц, объединив данные о структуре ДНК с информацией об активности генов. «Геном — это не просто последовательность генов. Она свернута в сложную трехмерную структуру», — говорит ведущий автор исследования доктор Теа Роджерс.
У головоногих моллюсков масштабная реорганизация генома, произошедшая сотни миллионов лет назад, кардинально изменила его и привела к сближению ранее удаленных участков хромосом. Исследователи обнаружили, что при сближении участков ДНК они могут начать взаимодействовать и влиять на активность друг друга. Со временем эти взаимодействия могут закрепляться, формируя взаимосвязанные регуляторные сети.
Этот процесс, который исследователи назвали «регуляторной запутанностью», может позволить геному генерировать новые паттерны экспрессии генов, сохраняя при этом основные функции.
Не все части структуры генома одинаково реагируют на его реорганизацию. Исследователи обнаружили, что крупные структурные единицы генома, известные как хроматиновые домены, остаются в значительной степени стабильными на протяжении эволюции.
В то же время более мелкие связи, известные как хроматиновые петли, гораздо более динамичные. Они обеспечивают контакт между удаленными участками ДНК. Хроматиновые петли сильно различаются у разных видов, тканей и на разных стадиях развития и часто располагаются рядом с генами, отвечающими за ключевые особенности головоногих моллюсков, в том числе связанные с нервной системой. Это позволяет предположить, что на более гибкие участки могут особенно сильно влиять масштабные изменения в организации ДНК.
В совокупности эти открытия ставят под сомнение идею о том, что архитектура генома является пассивным следствием эволюции. Вместо этого они свидетельствуют о том, что трехмерная организация ДНК активно влияет на ход эволюции. У головоногих моллюсков она могла сыграть ключевую роль в формировании их необычайно сложной нервной системы.
