Масштабная реорганизация генома помогла кальмарам и осьминогам обзавестись крупным мозгом?

Осьминоги, кальмары и каракатицы — головоногие моллюски подкласса двужаберные, или колеоиды, — в ходе эволюции приобрели крупные и развитые нервные системы, обеспечивающие способность к комплексному поведению. Международная группа под руководством ученых из Австрии попыталась выяснить, какую роль в этом сыграла трехмерная организация генома. 

Колеоиды — это древняя клада, возникшая около 270 млн лет назад. Благодаря множеству уникальных признаков, таким как самый крупный среди беспозвоночных мозг и сложные формы поведения, они представляют собой перспективную модель для изучения того, как пространственная организация генома связана с эволюционными новшествами. Авторы провели сравнительный анализ 3D-архитектуры генома трех видов головоногих моллюсков: кальмара Euprymna scolopes, каракатицы Sepia officinalis и осьминога Octopus bimaculoides. Для этого они воспользовались Micro-C, а также применили секвенирование РНК и анализ доступности хроматина (ATAC-seq). 

Наборы хромосом у колеоид отличаются от таковых у других моллюсков, однако масштабного анализа синтении (расположения локусов на одних и тех же хромосомах разных видов) для них еще не проводилось. Авторы провели такой анализ, опираясь на ортологичные гены колеоид. Оказалось, что хромосомы S. officinalis и E. scolopes практически однозначно соответствовали друг другу, но их гомология с хромосомами O. bimaculoides оказалась более сложной. Это указывает на предполагаемые вторичные перестройки (слияния и транслокации) в кариотипах осьминогов. 

При этом консервативные для колеоид некодирующие элементы чаще находились на негомологичных хромосомах. Авторы предположили, что некодирующие последовательности (в том числе регуляторные) легче подвергались транслокации у этой клады головоногих моллюсков. 

Затем ученые картировали топологию хроматина у двух видов с детально аннотированными геномами — кальмара и осьминога. Оказалось, что консервативные пары взаимодействующих генов в среднем содержали больше кодирующих участков в промежутках между ними, чем пары, не вовлеченные в такие взаимодействия. Доля длинных диспергированных повторов (LINE), напротив, была снижена. Повышенная плотность генов и сниженная — LINE-элементов указывает на возможную регуляторную роль взаимодействий или на то, что вставка транспозонов между взаимодействующими генами ограничена. 

Для дальнейшего изучения реорганизации генома колеоид авторы сопоставили расположение ортологов у трех представителей этой клады и морского гребешка (Pecten maximus). У гребешка сохраняется структура сцепления генов, характерная для предковых видов моллюсков; она же стабильна и для головоногого Nautilus pompilius, который не входит в кладу двужаберных. Исследователи выяснили, что происхождение гена на хромосомном уровне (т.е. то, на какой хромосоме он располагался изначально) влияет на паттерны экспрессии и коэкспрессии, а также на взаимодействие в парах, но не на тканеспецифичность. Это согласуется с представлением о том, что границы хроматиновых доменов часто совпадают с сайтами, где повышена вероятность разрыва и дальнейшей перестройки. 

Хроматиновые петли представляют собой динамичные структуры, участвующие в регуляции работы генов. Более подробный анализ хроматиновых петель показал, что у колеоид очень мало консервативных петель. (Консервативными они считались в случае, если содержали хотя бы один общий ортолог, перекрывающий их якорные участки.) У E. scolopes, S. officinalis и O. bimaculoides обнаружилось всего три таких петли, для пары E. scolopes и S. officinalis — 27, для остальных пар меньше десяти. 

Наконец, ученые оценили функциональную роль одной из консервативных петель. Они отредактировали эмбрионы Euprymna berryi — близкого родственника E. scolopes — и удалили предполагаемую регуляторную область в этой петле с помощью CRISPR-Cas9. У всех 25 эмбрионов наблюдались признаки задержки развития. У пяти был выраженно уменьшен мозг, особенно зрительные доли, еще у пяти наблюдались множественные пороки развития, другие шесть были заметно мельче нормы, а их щупальца были укорочены. Таким образом, от трети до двух третей эмбрионов имели морфологические дефекты мозга. 

Таким образом, в ходе эволюции колеоиды претерпели выраженную перестройку генома по сравнению с общим предком всех головоногих моллюсков. Эта перестройка сопровождалась формированием хроматиновых петель, многие из которых уникальны для вида. А немногочисленные консервативные для колеоид хроматиновые петли, по-видимому, играют ключевую роль в регуляции их сложного развития и формировании мозга.

Развитой мозг осьминогов появился благодаря микроРНК