Новый анализ показал, что геномы осьминогов и кальмаров невероятно странные

Головоногие моллюски не перестают удивлять своими умными свойствами, включая руки с мозгами, меняющий цвет камуфляж, искусство побега и умение решать головоломки. Новый анализ генетики кальмаров, осьминогов и каракатиц (колеоидов) показал, что их геномы так же необычны, как и они сами.

Геном головоногих "невероятно запутан", - говорит биолог по развитию Кэролайн Альбертин, которая возглавила одно из двух новых исследований, выявивших странные повороты в генетической истории этих головоногих.

В ходе масштабной работы Альбертин с коллегами секвенировали геномы трех мягкотелых головоногих: калифорнийского двупятнистого осьминога (Octopus bimaculoides) - первого осьминога, геном которого был секвенирован еще в 2005 году; атлантического длинноперого прибрежного кальмара (Doryteuthis pealeii), который почти сто лет изучался как модельная система для неврологии, и гавайского кальмара (Euprymna scolopes) - эталонного животного для изучения симбиоза бактерий и животных.

Исследователи обнаружили множество новых семейств генов, многие из которых экспрессируются в мозге кальмара, а также расширение уже знакомых нам генов, таких как кластеры генов, участвующих в изменении окраски головоногих моллюсков, их присосок и клювов.

Другие уникальные расширения генов включают гены протокадхерина, которые могут быть вовлечены в создание сложных нервных систем как у человека, так и у головоногих. Однако у головоногих моллюсков разнообразие в этом гене создается за счет целых копий (у человека эта вариация возникает в результате различных способов экспрессии генов).

Эти копии помогли геномам головоногих стать большими: геном Doryteuthis примерно в 1,5 раза больше нашего, а геном калифорнийского двупятнистого осьминога - на 90% больше нашего.

В отличие от нас, наши геномы расширялись в процессе дупликации всего генома, что объясняется нашей повышенной сложностью и способностью создавать новые эволюционные особенности. Похоже, что головоногие претерпели такие же масштабные изменения, но, как и во многих других вещах, они добавили свой уникальный стиль.

"Теперь мы знаем, что эволюция мягкотелых головоногих включала в себя такие же масштабные изменения генома, но эти изменения не являются дублированием целого генома, а скорее огромными перестройками генома, как если бы геномы предков были помещены в блендер", - объясняет нейробиолог Клифтон Рэгсдейл из Чикагского университета.

Возможно, эта генетическая перетасовка дала этим уникальным морским животным впечатляющие когнитивные способности, наделив их самой большой нервной системой среди всех беспозвоночных. Между руками и головой у осьминогов насчитывается около 500 миллионов нейронов, что сравнимо с количеством, которым обладают собаки.

"Мы сравнили геном кальмара с геномом гребешка и обнаружили, что многие гены, которые были разбросаны в геноме гребешка, собрались вместе на определенных участках хромосом кальмара. Эти новые кластеры генов образуют регуляторные единицы. Это означает, что они могут взаимодействовать друг с другом и изменять физиологию животного", - говорит молекулярный патолог Акане Кавагучи, соавтор второго исследования, в котором был более подробно рассмотрен геном кальмара бобтейла.

"Один из кластеров генов в геноме кальмара содержит пять основных генов, участвующих в развитии нервной системы".

Кластеризация связанных генов позволила упорядочить и создать уникальные формы генетической регуляции.

И, наконец, знаменитая способность головоногих редактировать собственные гены мозга. Эта способность к редактированию мессенджерной РНК встречается лишь в нескольких важных белках нервной системы у человека, менее чем в 1 проценте, но у головоногих она распространена гораздо шире.

Обычно изменения в строении животного происходят с мутациями в его ДНК. Но в данном случае изменения происходят в мессенджерной РНК, которая строит белки. Есть предположение, что эта способность позволяет головоногим моллюскам более гибко и быстро адаптироваться к окружающей среде, когда строитель может импровизировать, чтобы соответствовать новым условиям, но это еще не до конца установлено.

Альбертин и ее команда обнаружили, что редактирование РНК у животных подразделяется на две различные категории: нейронные и ненейронные редактирования. Они не только происходят в разных тканях, но и частота, с которой происходит редактирование, резко отличается, причем редактирование, связанное с нервной системой, происходит гораздо чаще, что позволяет предположить, что оно чрезвычайно важно для функционирования этих животных.

Все эти необычные механизмы внесли свой вклад в создание инопланетного разума, которым мы все сейчас восхищаемся, за 300 миллионов лет, прошедших с тех пор, как кальмар и осьминог имели общего предка. Нам не терпится узнать, что еще откроют их странные геномы.

Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.