Осьминоги, кальмары и каракатицы обладают одной из самых развитых нервных систем в животном мире. Она позволяет им решать сложные задачи и мгновенно менять внешний вид, маскируясь под окружающую среду. Учёные из Венского университета нашли неожиданную подсказку о том, как возникли эти способности: возможно, дело не в самих генах, а в том, как устроена и уложена ДНК внутри клеток.
Исследователи установили, что сотни миллионов лет назад произошла масштабная перестройка ДНК, в результате которой ранее разобщённые участки генома оказались рядом. Эти новые контакты изменили взаимодействие генов и способы управления ими, что могло способствовать развитию необычайно сложной нервной системы у колеоидных головоногих моллюсков. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications и указывают на то, что физическая структура ДНК может играть в эволюции куда более активную роль, чем считалось ранее.
Чтобы проверить эту гипотезу, научная группа восстановила трёхмерную организацию генома осьминогов, кальмаров и каракатиц. Затем специалисты сопоставили расположение ДНК с картиной активности генов, чтобы понять, как изменения в структуре генома влияют на биологическую сложность. «Геном — это не просто последовательность генов. Он свёрнут в сложную трёхмерную структуру, — пояснила ведущий автор работы доктор Теа Роджерс. — Понимание того, как эта структура эволюционирует, становится всё важнее для объяснения возникновения новых форм биологической сложности».
Хотя ДНК часто представляют как длинную витую лестницу, в клетке она не вытянута в линию, а образует замысловатую трёхмерную конфигурацию. Благодаря этому участки, далеко отстоящие друг от друга в последовательности, могут физически сближаться. Такие контакты влияют на то, какие гены включаются, когда это происходит и насколько сильно они работают. Поэтому изменения в укладке ДНК способны менять активность генов, не затрагивая сами генетические инструкции.
Учёные обнаружили свидетельства того, что геномы головоногих пережили длительный период перестроек сотни миллионов лет назад. В ходе этого процесса крупные участки генетического материала переместились, сблизив ранее разделённые области хромосом. Возникшие связи позволили участкам ДНК взаимодействовать по-новому, постепенно формируя всё более сложные сети генетической регуляции. Со временем такие взаимодействия становились настолько переплетёнными, что их было трудно разделить, — этот процесс исследователи назвали «регуляторным запутыванием». Механизм объясняет, как эволюция может создавать новые биологические признаки, не нарушая жизненно важных функций организма.
Наиболее показательным оказалось то, что разные части генома по-разному реагировали на эволюционные перестройки. Крупные структурные области — хроматиновые домены — оставались удивительно стабильными на протяжении долгой эволюционной истории, что говорит о сильной conservации (сохранении) некоторых черт архитектуры генома. А вот меньшие структуры — хроматиновые петли, которые образуются при сближении удалённых участков ДНК в трёхмерном пространстве, — заметно различались между видами головоногих, между тканями и на разных стадиях развития. Многие из этих гибких связей располагались рядом с генами, отвечающими за развитие и работу нервной системы. Это позволяет предположить, что небольшие адаптивные структуры генома особенно отзывчивы к крупным генетическим перестройкам и могут способствовать появлению сложных признаков.