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DNA-Faltung zeigt, wie Kopffüßer komplexe Gehirne entwickelten
Kraken, Kalmare und Sepien verfügen über große und komplex aufgebaute Nervensysteme. Eine neue Genomanalyse legt nun nahe, dass für deren Evolution nicht nur einzelne Gene, sondern auch die räumliche Faltung der DNA eine Rolle gespielt haben könnte. Kontakte zwischen weit entfernten Erbgutabschnitten könnten die Steuerung wichtiger Gene verändert und so neue Entwicklungen begünstigt haben.
Wien (Österreich). Kraken können Probleme lösen, Sepien ihr Aussehen blitzschnell verändern. Hinter diesen Fähigkeiten stehen hoch entwickelte Nervensysteme, deren Entstehung in der Evolution noch nicht vollständig verstanden ist. Dabei stellt sich auch die Frage, wie Veränderungen des Erbguts die Ausbildung neuartiger Zellen und Organe ermöglichen.
Entscheidend ist offenbar nicht nur, welche Gene ein Tier besitzt. Denn der lange DNA-Faden liegt im Zellkern räumlich gefaltet vor. Dadurch können selbst weit auseinanderliegende Abschnitte einander nahekommen und beeinflussen, wann bestimmte Gene abgelesen werden.
Forscher der Universität Wien um Dr. Thea Rogers haben nun untersucht, wie sich solche Kontakte im Verlauf der Kopffüßer-Evolution verändert haben. Dazu verglich das Team die räumliche Erbgutorganisation eines Oktopus, einer Sepie und eines Zwergtintenfischs. Es kombinierte die Kontaktkarten mit Messungen der Genaktivität und der Zugänglichkeit möglicher DNA-Schalter in verschiedenen Geweben und Entwicklungsstadien.
Vor etwa 450 Millionen Jahren kam es in der Abstammungslinie dieser Kopffüßer zu umfangreichen Umbauten der Chromosomen. Dabei wurden größere DNA-Abschnitte neu angeordnet, wodurch zuvor getrennte Gene und mögliche Kontrollregionen neue räumliche Nachbarschaften erhielten. Die heutige Struktur lässt Rückschlüsse darauf zu, welche Kontakte seitdem erhalten blieben und welche sich später veränderten.
Solche Kontakte können die Aktivität von Genen miteinander verknüpfen. Wenn sich nach weiteren Umbauten immer mehr Verbindungen überschneiden, entsteht möglicherweise ein besonders engmaschiges Netz der Gensteuerung. Die Forscher bezeichnen diesen Vorgang als regulatorische Verflechtung.
„Das Genom ist nicht nur eine Abfolge von Genen. Es ist zu einer komplexen dreidimensionalen Struktur gefaltet“, erklärt Dr. Thea Rogers.
Die Analysen zeigen, dass nicht alle Ebenen dieser räumlichen Organisation gleich stark vom evolutionären Umbau betroffen waren. Größere Einheiten des gefalteten Erbguts, sogenannte Chromatindomänen, blieben zwischen den untersuchten Arten insgesamt vergleichsweise ähnlich. Innerhalb dieser Bereiche fanden die Forscher hingegen zahlreiche Unterschiede bei kleineren Kontakten.
Besonders auffällig waren Hunderte von Chromatinschleifen. Solche Schleifen bringen DNA-Abschnitte zusammen, die entlang des Chromosoms weit auseinanderliegen. Ihre Verteilung unterschied sich je nach Art, untersuchtem Gewebe und Entwicklungsstadium. Viele lagen in der Nähe von Genen, die mit der Entstehung und Funktion des Nervensystems zusammenhängen.
Die stabileren Domänen könnten grundlegende Programme der Gensteuerung bewahren, während neue oder veränderte Schleifen zusätzliche Kombinationen ermöglichen. Damit würde die räumliche Organisation des Erbguts einen Weg eröffnen, neue Eigenschaften zu entwickeln, ohne bestehende Funktionen vollständig umzustellen.