Октапусы, кальмары и кальмары-кактусы известны одними из самых сложных нервных систем в животном мире, что даёт им необыкновенные способности — решать задачи и мгновенно менять внешний вид для маскировки. Но как эти выдающиеся свойства эволюционировали? Учёные нашли улики, которые указывают не на сами гены, а на то, как ДНК упакована и как её трёхмерная структура может влиять на регуляцию генов. В работе подчёркивается, что ключ к загадке может лежать в области, где ДНК складывается в клетке, а не в последовательностях нуклеотидов. sources: [0, 6, 7]

Исследовательская группа Венского университета пришла к выводу, что огромное перераспределение генетических участков сотни миллионов лет назад привело к тому, что ранее раздельные области стали контактировать друг с другом. Эти новые взаимодействия могли изменить способы активации и регуляции генов, что, возможно, содействовало эволюции необычно сложной нервной системы головоногих, которые объединяются под терминами коелоидные головоногие. sources: [1, 4, 5]

Результаты, опубликованные в Nature Communications, предполагают, что физическая структура ДНК может играть более активную роль в эволюции, чем принято считать. Исследователи реконструировали трёхмерную организацию генома у осьминогов, кальмаров и каракатиц и сопоставили её с картиной активности генов, пытаясь понять, как изменения в структуре генома могут влиять на биологическую сложность. sources: [2, 4, 7]

Чтобы проверить гипотезу, учёные отмечают, что геном не является только последовательностью генов: он «сложен» в сложную трёхмерную архитектуру, благодаря чему участки, находящиеся далеко друг от друга по последовательности, могут располагаться возле друг друга в пространстве клетки. Эти контакты важны потому, что они могут влиять на то, какие гены активируются, когда и с какой силой они работают. Изменения в укладке ДНК таким образом могут менять активность генов без явной модификации самой инструкции в генах. sources: [6, 7, 18]

Исследователи выявили следы того, что геномы головоногих пережили длительный период перераспределения сотни миллионов лет назад. В ходе этого «перестройки» крупные участки генетического материала перемещались и приводили к тому, что ранее отдельные хромосомные области оказывались ближе друг к другу. такие изменения открыли новые возможности для взаимодействия ДНК и, соответственно, для регуляции активности генов, — и это могло со временем формировать более сложные сети генетической регуляции. sources: [9, 10, 11, 12, 18, 19]

Учёные отмечают, что одни структурные элементы генома оказались устойчивыми к эволюционным переменам — крупные области хроматина, или домены, сохранялись на протяжении долгих периодов. Эти домены помогают располагать ДНК в крупных секторах внутри клетки, и их долгосрочная консервация говорит о том, что некоторые характеристики архитектуры генома остаются стабильными. Однако меньшие структуры — так называемые петли хроматина — поведали иную историю: они формируются, когда дальние участки ДНК соединяются в трёхмерном пространстве и оказались весьма изменчивыми между видами головоногих, между тканями и на разных стадиях развития. Особенно примечательно их расположение near генам, связанных с важными особенностями головоногих, включая развитие и функционирование нервной системы. such patterns suggest that smaller, more adaptable structures within the genome may be especially responsive to major genetic rearrangements. By changing which regions of DNA can communicate, эти гибкие связи могут помогать формировать новые паттерны активности генов и способствовать эволюции сложных черт. sources: [15, 16, 17, 18, 19]

Открытие ставит под сомнение традиционное представление о геномной архитектуре как исключительно ответственной за изменения в эволюции. В противном случае, физическая организация ДНК может сама по себе влиять на то, как развиваются эволюционные изменения. У осьминогов, кальмаров и каракатиц древние перестройки генома, возможно, помогли выстроить новые регуляторные сети, которые способствовали формированию их исключительно сложных нервных систем. При этом результаты не устанавливают прямую причинность между такими изменениями ДНК и появлением интеллекта у головоногих; однако они показывают возможный механизм, посредством которого крупные перестройки генов могут открывать новые биологические возможности, сохраняя при этом жизненно важные функции. sources: [21, 22, 23, 24]