Осьминоги в процессе эволюции приобрели удивительно сложный мозг

Фото из открытых источников

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.

Команда работала с гавайским короткохвостым кальмаром, обыкновенной каракатицей и калифорнийским двухпятнистым осьминогом. В состав команды входили коллеги из Морской биологической лаборатории в Вудс-Холе, штат Массачусетс, и Чикагского университета.

Исследователи использовали лабораторный метод, который позволяет определить, какие участки ДНК расположены близко друг к другу внутри клетки. Полученные данные они сопоставили с измерениями того, какие гены были активированы.

Образцы были взяты у эмбрионов на последней стадии перед вылуплением, а также на трех стадиях развития кальмара. Другие образцы были взяты из отдельных частей тела, включая центральный мозг, глаза и зрительные доли — области мозга, отвечающие за зрение.

ДНК, обернутая своими упаковочными белками, называется хроматином, и она сворачивается в двух масштабах. Большие участки ДНК образуют домены, внутренние части которых соприкасаются друг с другом сильнее, чем с внешними. Меньшие складки, называемые петлями, образуются внутри и между этими большими доменами ДНК, сближая удаленные участки ДНК.

Крупные домены выглядели в целом одинаково у всех трех животных. Петли — нет. В целых эмбрионах команда исследователей идентифицировала 329 петель у кальмара, 912 у каракатицы и 663 у осьминога. Только три петли, содержащие гены, были обнаружены у всех трех видов.

На вопрос о том, что ее больше всего удивило, Роджерс указала на то, «как мало петель было общим для разных видов». Петли также перемещались внутри одного животного. У осьминога образцы мозга, глаза и щупальца содержали примерно одинаковое количество петель, в то время как во внутренних органах их было примерно в три раза меньше.

«Таким образом, геном, по-видимому, имеет стабильную структуру, поверх которой находится более гибкий слой регуляторных связей, который эволюция может перестраивать», — сказала Роджерс.

Стабильность тоже имеет значение. Команда обнаружила 1592 пары генов, которые оставались близко друг к другу у всех трех видов. Эти пары имели тенденцию включаться и выключаться одновременно, и многие из них выполняют основные функции, необходимые каждой клетке.

«Это говорит о том, что некоторые трехмерные связи активно поддерживались на протяжении сотен миллионов лет», — добавила Роджерс.

Из трех видов осьминог обладает самым маленьким геномом, но при этом имеет самые длинные петли ДНК. Типичная петля ДНК осьминога охватывает около 2,9 миллиона букв ДНК, в то время как у кальмара — 1,6 миллиона, а у каракатицы — 1,3 миллиона.

Таким образом, более крупные геномы не сопровождались более крупными петлями. Более половины петель осьминога соединяли гены, аналоги которых расположены на разных хромосомах у кальмара и каракатицы. Команда связала длинные петли с дополнительными слияниями в геноме осьминога, которые объединяли ранее отдельные хромосомы в одну.

Исследователи называют это накопление взаимосвязанных контактов регуляторной запутанностью. По мнению Роджерса, такое смешивание могло также иметь свою цену.

«Мы считаем, что такое смешение привело к образованию более „запутанного“ генома у осьминогов, где регионы становятся все более взаимосвязанными и их сложнее перестраивать. Это могло даже ограничить возможности расширения их геномов», — объяснила она.

Чтобы проверить, действительно ли петля выполняет свою функцию, команда обратилась к близкому родственнику гавайского короткохвостого кальмара, гены которого можно редактировать в лабораторных условиях. Внутри гена под названием Quaking B, расположенного в одной из общих петель, они удалили участок ДНК длиной около 1000 букв, который выглядел как переключатель управления.

Все 25 отредактированных эмбрионов развивались медленнее, чем обычно. У пяти из них был явно меньший размер мозга, особенно в зрительных долях, а еще пять имели серьезные деформации в нескольких частях тела. Шесть были меньше по размеру в целом, с более короткими руками, а девять выглядели нормально.

В зависимости от способа сортировки эмбрионов, от одной трети до двух третей из них имели дефекты головного мозга.

Гены внутри петли не показали явных изменений. Явное снижение активности наблюдалось в генах, расположенных гораздо дальше, в том числе в одном гене, находящемся примерно в 14,5 миллионах букв ДНК от удаленного участка. Исследователи считают, что удаленный переключатель также влияет на гены, находящиеся далеко за пределами своей собственной петли.

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.