Трёхмерная структура ДНК помогла раскрыть тайну сложного мозга осьминогов

Исследователи из Венского университета обнаружили механизм, который мог способствовать появлению необычайно сложной нервной системы у осьминогов, кальмаров и каракатиц. Ключом оказались не только сами гены, но и то, как ДНК уложена внутри клетки. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Эти головоногие моллюски известны способностью решать задачи и быстро менять внешний вид для маскировки. Учёные предполагают, что развитию таких особенностей помогла масштабная перестройка генома, произошедшая сотни миллионов лет назад. В результате участки хромосом, прежде находившиеся далеко друг от друга, оказались рядом и получили возможность участвовать в новых регуляторных взаимодействиях.

ДНК в клетке не вытянута в прямую нить: она образует сложную пространственную структуру. Поэтому участки, разделённые большим расстоянием в последовательности генома, могут соприкасаться. Такие контакты помогают регулировать работу генов — определять, когда и насколько активно они используются. Изменение расположения ДНК способно перестраивать эти связи.

Чтобы проследить подобные процессы, команда сопоставила трёхмерную организацию генома с активностью генов у разных видов головоногих, в различных тканях и на нескольких стадиях развития. Исследование выявило сочетание устойчивости и гибкости: крупные структурные области, называемые доменами хроматина, в целом сохранялись в ходе эволюции, тогда как более мелкие контакты заметно различались.

Особенно изменчивыми оказались петли хроматина — пространственные сближения удалённых участков ДНК. Сотни таких петель зависели от вида животного, ткани и стадии развития. Многие располагались возле генов, связанных с характерными особенностями головоногих, включая нервную систему. Это указывает на возможную роль гибких контактов в формировании новых схем управления генами.

Команда также использовала CRISPR–Cas9, чтобы выключить предполагаемый регуляторный участок ДНК. Этот эксперимент подтвердил функциональное значение исследуемых взаимодействий для развития нервной системы. Однако он не доказывает, что древняя перестройка генома сама по себе стала причиной возникновения интеллекта у осьминогов.

Авторы описывают возможный эволюционный механизм как «регуляторное переплетение»: новые контакты постепенно включаются во всё более взаимосвязанные сети управления генами. По их гипотезе, это позволяет создавать новые варианты активности генов, сохраняя жизненно важные функции организма.

Исследование показывает, почему для понимания эволюции недостаточно изучать только последовательность ДНК. Значение имеет и её пространственная организация. Именно сочетание относительно устойчивых структур и изменчивых контактов могло помочь головоногим сформировать сложные нервные системы и необычные способности.