Осьминоги в процессе эволюции приобрели удивительно сложный мозг
Осьминоги, кальмары и каракатицы сворачивают свою ДНК, чтобы объединить гены и отдаленные контрольные участки, потенциально формируя таким образом свой сложный мозг. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
Геном обычно представляют как длинную цепочку генов, читаемую от одного конца до другого. Однако внутри клетки эта цепочка плотно свернута, поэтому участки ДНК, расположенные далеко друг от друга, могут соприкасаться.
У осьминогов, кальмаров и каракатиц древняя перестройка хромосом привела к тому, что многие отдаленные участки оказались рядом друг с другом. Новые исследования предполагают, что эти новые контакты могли способствовать эволюции необычайно сложного строения мозга у этих животных.
Исследователи представляют эту связь с мозгом как предположение, а не как доказанный результат. Теа Роджерс, биолог из отдела нейронаук и биологии развития Венского университета, возглавила работу. Ее команда сравнила свернутые участки ДНК у трех видов, в основном у эмбрионов, и протестировала один участок этой ДНК напрямую.
«Геном — это не просто последовательность генов. Он свёрнут в сложную трёхмерную структуру», — сказала Роджерс. «Понимание того, как эта структура эволюционирует, становится всё более важным для понимания того, как возникают новые формы биологической сложности».
Осьминоги, кальмары и каракатицы относятся к группе головоногих моллюсков семейства Coleoidea, история которой насчитывает примерно 270 миллионов лет. Представители этой группы обладают самым большим мозгом среди всех животных без позвоночника, а также новыми органами и сложными поведенческими навыками, такими как быстрая маскировка.
На ранних этапах истории этой группы хромосомы распадались и сливались друг с другом. Гены не включаются и не выключаются сами по себе. Короткие участки ДНК помогают контролировать их, а сворачивание ДНК может привести к тесному контакту одного из этих управляющих участков с геном, на который он воздействует.
Роджерс заявила, что древняя перестройка привела к тесному контакту генов и контрольных последовательностей, которые ранее находились далеко друг от друга. «Наши результаты показывают, что трехмерное сворачивание генома позволило некоторым из этих новых соседей начать регулировать друг друга, создавая новые сети контроля генов», — сказала она.
После этого две ветви семейства разошлись. Геномы кальмаров и каракатиц разрослись до более чем 5 миллиардов букв ДНК, в то время как геномы некоторых осьминогов содержат около 2,5 миллиардов. Вместо этого у осьминогов произошло множество дополнительных слияний хромосом.
Исследование охватило три вида, и большинство карт сворачивания ДНК были получены из эмбрионов. Команда удалила один участок ДНК у одного вида кальмаров в 25 эмбрионах и измерила активность генов в группах из трех или четырех эмбрионов. Связь между новыми петлями и мозгом головоногих моллюсков пока остается лишь предположением, а не прямым результатом.
Роджерс сказала, что хочет узнать, как процесс сворачивания ДНК сочетается с другими способами, которыми эти животные регулируют свои гены. Головоногие моллюски известны тем, что редактируют генетическое сообщение после его копирования из ДНК, и они активно используют процесс, позволяющий одному гену создавать несколько различных белков. Она также хотела бы узнать, как химические метки на белках, упаковывающих ДНК, связаны со сворачиванием ДНК.
На данный момент дело основано на данных трех животных и одном удаленном переключателе. В будущих исследованиях необходимо будет протестировать больше таких переключателей на большем количестве видов, чтобы показать, действительно ли складчатость способствовала формированию этих мозгов.