دانشمندان یک پیچ ژنتیکی شگفت انگیز را در پشت هوش اختاپوس پیدا کردند

اختاپوس ها، ماهی مرکب و ساعد ماهی ها دارای برخی از پیچیده ترین سیستم های عصبی در قلمرو حیوانات هستند که به آنها توانایی های قابل توجهی مانند حل مشکلات و تغییر سریع ظاهرشان برای ترکیب شدن با محیط اطرافشان می دهد. اما این قابلیت های خارق العاده چگونه تکامل یافتند؟ دانشمندان سرنخ شگفت‌انگیزی را کشف کرده‌اند که ممکن است نه در خود ژن‌ها، بلکه در نحوه چین‌خوردگی و چیدمان DNA درون سلول‌ها باشد.

محققان دانشگاه وین کشف کردند که صدها میلیون سال پیش، یک سازماندهی مجدد عظیم از DNA، نواحی ژنتیکی را که قبلا جدا شده بودند، در تماس قرار داد. این ارتباطات تازه شکل‌گرفته، نحوه تعامل و کنترل ژن‌ها را تغییر داد و به طور بالقوه به تکامل سیستم‌های عصبی پیچیده‌ای که در این حیوانات یافت می‌شود، کمک کرد، که در مجموع به عنوان سفالوپودهای کلوئیدی شناخته می‌شوند.

این یافته‌ها که در Nature Communications منتشر شده است، نشان می‌دهد که ساختار فیزیکی DNA ممکن است نقش بسیار فعال‌تری نسبت به آنچه دانشمندان زمانی تصور می‌کردند در تکامل بازی کند.

چگونه ساختار سه بعدی DNA بر تکامل تأثیر می گذارد

برای بررسی این احتمال، تیم تحقیقاتی سازماندهی سه بعدی ژنوم را در اختاپوس، ماهی مرکب و ماهی مرکب بازسازی کردند. آنها سپس آرایش DNA را با الگوهای فعالیت ژن مقایسه کردند تا بفهمند چگونه تغییرات در ساختار ژنوم ممکن است بر پیچیدگی بیولوژیکی تأثیر بگذارد.

دکتر تئا راجرز، نویسنده اصلی این مقاله گفت: "ژنوم فقط یک توالی از ژن ها نیست، بلکه در یک ساختار سه بعدی پیچیده تا شده است." درک چگونگی تکامل آن ساختار برای درک چگونگی ظهور اشکال جدید پیچیدگی بیولوژیکی اهمیت فزاینده ای پیدا می کند.

اگرچه DNA اغلب به صورت یک نردبان بلند و پیچ خورده به تصویر کشیده می شود، اما به سادگی در داخل یک سلول کشیده نمی شود. در عوض، به صورت یک آرایش سه بعدی پیچیده تا می شود و به بخش هایی که در امتداد توالی DNA از هم دور هستند اجازه می دهد تا با هم تماس فیزیکی نزدیک داشته باشند.

این ارتباطات مهم هستند زیرا می توانند بر روی اینکه کدام ژن فعال می شوند، چه زمانی استفاده می شوند و چقدر قوی عمل می کنند، تاثیر می گذارند. بنابراین، تغییرات در روش چین‌خوردگی‌های DNA می‌تواند فعالیت ژن را بدون تغییر دستورالعمل‌های ژنتیکی زیربنایی تغییر دهد.

بازسازی DNA باستانی پیوندهای ژنتیکی جدیدی ایجاد کرد

محققان شواهدی یافتند که نشان می‌دهد ژنوم‌های سفالوپود صدها میلیون سال پیش تحت یک دوره سازمان‌دهی مجدد قرار گرفته‌اند. در طول این تحول تکاملی، بخش‌های بزرگی از مواد ژنتیکی دوباره مرتب شدند و مناطقی از کروموزوم‌ها را که قبلا از هم جدا شده بودند به هم نزدیک کردند.

این جابجایی فرصت‌هایی را برای نواحی DNA ایجاد کرد تا به روش‌هایی تعامل کنند که قبلا ممکن نبود. هنگامی که این ارتباطات شکل گرفت، آنها می توانند بر فعالیت یکدیگر تأثیر بگذارند و به تدریج شبکه های پیچیده تری از تنظیم ژنتیکی را ایجاد کنند.

در طول زمان تکامل، فعل و انفعالات می توانند به طور فزاینده ای به هم مرتبط شوند و جداسازی آنها دشوار باشد و فرآیندی را ایجاد کند که دانشمندان آن را "درهم تنیدگی نظارتی" توصیف می کنند.

این مکانیسم توضیحی ممکن برای این که چگونه تکامل می‌تواند ویژگی‌های بیولوژیکی جدیدی را بدون ایجاد اختلال در عملکردهای ضروری موجودات زنده برای بقا ایجاد کند، ارائه می‌کند. با ایجاد ارتباطات جدید بین عناصر ژنتیکی موجود، ژنوم ممکن است الگوهای متفاوتی از فعالیت ژن را ایجاد کند و در عین حال سیستم‌های بیولوژیکی حیاتی را دست نخورده نگه دارد.

ساختارهای پایدار DNA و حلقه های ژنتیکی انعطاف پذیر

یکی از آشکارترین یافته‌های این مطالعه این بود که بخش‌های مختلف ژنوم واکنش‌های بسیار متفاوتی به سازمان‌دهی مجدد تکاملی نشان دادند.

محققان کشف کردند که نواحی ساختاری بزرگی به نام دامنه‌های کروماتین در طول دوره‌های طولانی تاریخ تکامل به‌طور قابل‌توجهی پایدار مانده‌اند. این حوزه‌ها به سازماندهی DNA در بخش‌های وسیع در داخل سلول کمک می‌کنند، و تداوم آنها نشان می‌دهد که برخی از ویژگی‌های معماری ژنوم به شدت حفظ شده‌اند.

با این حال، ساختارهای کوچک‌تری که به عنوان حلقه‌های کروماتین شناخته می‌شوند، داستان متفاوتی را روایت می‌کنند.

این حلقه‌ها زمانی تشکیل می‌شوند که بخش‌های دوردست DNA در فضای سه‌بعدی کنار هم قرار می‌گیرند. برخلاف حوزه‌های کروماتین نسبتا پایدار، حلقه‌ها تفاوت‌های قابل‌توجهی را بین گونه‌های سرپایان، بین بافت‌ها و در سراسر مراحل رشد نشان دادند.

به خصوص مکان آنها جالب توجه بود. بسیاری از این اتصالات DNA انعطاف‌پذیر در نزدیکی ژن‌های مرتبط با ویژگی‌های مهم سفالوپود، از جمله رشد و عملکرد سیستم عصبی ظاهر شدند.

این الگو نشان می دهد که ساختارهای کوچکتر و سازگارتر در ژنوم ممکن است به ویژه به بازآرایی های ژنتیکی اصلی پاسخ دهند. با تغییر مناطقی از DNA که می توانند ارتباط برقرار کنند، این اتصالات انعطاف پذیر می توانند به تولید الگوهای جدیدی از فعالیت ژن کمک کنند و به تکامل صفات پیچیده کمک کنند.

سرنخ جدیدی از تکامل هوش اختاپوس

این کشف دیدگاه سنتی معماری ژنوم را به عنوان چیزی که اساسا در پاسخ به تکامل تغییر می‌کند، به چالش می‌کشد. در عوض، یافته‌ها نشان می‌دهند که سازمان‌دهی فیزیکی DNA می‌تواند بر چگونگی آشکار شدن تغییرات تکاملی تأثیر بگذارد.

در اختاپوس ها، ماهی مرکب و ساعد ماهی ها، بازآرایی های قدیمی ژنوم ممکن است به ایجاد شبکه های نظارتی جدیدی کمک کرده باشد که به توسعه سیستم عصبی فوق العاده پیچیده آنها کمک کرده است.

نتایج ثابت نمی کند که این تغییرات DNA به طور مستقیم باعث تکامل هوش سرپایان شده است. با این حال، آنها مکانیسم بالقوه‌ای را نشان می‌دهند که از طریق آن بازآرایی‌های ژنتیکی بزرگ می‌تواند با حفظ عملکردهای ضروری، احتمالات بیولوژیکی جدیدی ایجاد کند.

به طور گسترده تر، این تحقیق به بعد اغلب نادیده گرفته شده تکامل اشاره می کند. ظهور صفات خارق‌العاده ممکن است نه تنها به ژن‌هایی که ارگانیسم به ارث می‌برد بستگی دارد، بلکه به نحوه آرایش فیزیکی و اتصال آن‌ها در سلول نیز بستگی دارد.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه وین. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

پیرترین حیوان زمینی جهان راز ضد پیری قابل توجهی در DNA خود نهفته است

التهاب ممکن است سال ها پس از درمان سلول های سرطانی خفته را بیدار کند

رکورد فسیلی ممکن است 200 میلیون سال از تاریخ حیوانات را گم کرده باشد

فراتر از اوزمپیک؟ داروی جدید کاهش وزن نتایج خیره کننده ای را در کارآزمایی بالینی بزرگ نشان می دهد