Kraken, Tintenfische und Sepien, die zusammen als Coleoiden bezeichnet werden, haben ein außergewöhnlich großes und aufwendig strukturiertes Nervensystem, das komplexe Verhaltensweisen wie Problemlösung und schnelle Tarnung ermöglicht. Eine neue Studie der Universität Wien legt nahe, dass der Ursprung dieser Komplexität nicht nur in den Genen selbst liegt, sondern auch darin, wie das Genom in 3D angeordnet ist. Die Forscher*innen fanden heraus, dass eine frühzeitige, umfassende Umstrukturierung des Genoms die Anordnung der DNA innerhalb der Zelle verändert hat. Diese Verschiebungen brachten zuvor weit voneinander entfernte DNA-Abschnitte in Kontakt und veränderten so die Art und Weise, wie Gene reguliert werden. Das Verständnis dieses Prozesses könnte unsere Sichtweise darauf verändern, wie neue Merkmale im Laufe der Evolution entstehen. Die Studie ist aktuell in Nature Communications erschienen.
Das Team untersuchte die 3D-Struktur des Genoms von Tintenfischen, Kalmaren und Sepien und kombinierte dabei Daten zur DNA-Struktur mit der Genaktivität. "Das Genom ist nicht nur eine Abfolge von Genen. Es ist zu einer komplexen dreidimensionalen Struktur gefaltet", sagte die Hauptautorin Thea Rogers von der Universität Wien. "Zu verstehen, wie sich diese Struktur entwickelt, wird immer wichtiger, um zu begreifen, wie neue Formen biologischer Komplexität entstehen."
"Regulatorische Verflechtung" als Folge der Genomumgestaltung
Die aktuelle Analyse zeigte: Bei Kopffüßern hat eine groß angelegte Welle der Genom-Reorganisation, die sich vor Hunderten von Millionen Jahren ereignete, das Genom dramatisch umgestaltet und zuvor weit voneinander entfernte Chromosomenregionen in unmittelbare Nähe zueinander gebracht. Die Forscher*innen fanden außerdem heraus, dass DNA-Regionen interagieren können, wenn sie miteinander in Kontakt kommen, und die Aktivität der jeweils anderen beeinflussen. Im Laufe der Zeit können sich diese Interaktionen verfestigen und zunehmend miteinander vernetzte regulatorische Netzwerke bilden.
Dieser Prozess, den die Wissenschafter*innen als "regulatorische Verflechtung" bezeichnen, könnte es Genomen ermöglichen, neue Muster der Genexpression zu erzeugen und gleichzeitig wesentliche Funktionen aufrechtzuerhalten.
Allerdings scheinen nicht alle Aspekte der Genomstruktur gleichermaßen auf Genomumgestaltungen zu reagieren. Die Forscher fanden heraus, dass große strukturelle Einheiten des Genoms, sogenannte Chromatindomänen, im Laufe der Evolution weitgehend stabil blieben.
Im Gegensatz dazu waren feinere Verbindungen, sogenannte Chromatinschleifen, weitaus dynamischer. Diese Schleifen bringen weit voneinander entfernte DNA-Abschnitte in Kontakt. Sie variierten stark zwischen verschiedenen Arten, Geweben und Entwicklungsstadien und wurden häufig in der Nähe von Genen gefunden, die an wichtigen Merkmalen von Kopffüßern beteiligt sind, darunter auch solche, die mit dem Nervensystem in Verbindung stehen. Dies deutet darauf hin, dass diese flexibleren Regionen besonders von großräumigen Veränderungen in der DNA-Organisation betroffen sein könnten.
3D-Organisation der DNA prägt Evolution aktiv
Zusammengenommen stellen diese Erkenntnisse die Vorstellung in Frage, dass die Genomarchitektur eine passive Folge der Evolution ist. Stattdessen deuten sie darauf hin, dass die 3D-Organisation der DNA aktiv den Verlauf der Evolution prägt. Bei Kopffüßern könnte dies eine Schlüsselrolle bei der Entstehung ihres ungewöhnlich komplexen Nervensystems gespielt haben.
Universität Wien
Originalpublikation:
Rogers, T. F. et al. (2026). Genome reorganisation and expansion shape 3D genome architecture and define a distinct regulatory landscape in coleoid cephalopods. In Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-77625-7
