Kronkelend DNA mogelijk sleutel tot slimme hersenen van octopus

Een octopus kan problemen oplossen, van kleur en vorm veranderen en lijkt soms verrassend slim voor een ongewervelde. Wetenschappers vroegen zich al langer af hoe deze dieren, samen met inktvissen en zeekatten (samen coleoïde cefalopoden genoemd), zo'n ongewoon ontwikkeld zenuwstelsel hebben gekregen. Een nieuwe studie in Nature Communications wijst niet naar nieuwe genen, maar naar een ingrijpende verbouwing van de 3D-structuur van hun DNA, honderden miljoenen jaren geleden.

Het DNA in een celkern ligt niet los opgerold, maar is strak opgevouwen tot een complexe driedimensionale kluwen. Die genoomvouwing bepaalt welke stukken DNA elkaar kunnen 'aanraken' en elkaar daardoor kunnen beïnvloeden. Met de techniek Hi-C, die in kaart brengt welke delen van het genoom dicht bij elkaar liggen, onderzocht het team van hoofdauteur Thea Rogers de genoomstructuur van meerdere octopus-, inktvis- en zeekatsoorten.

Een genoom in de knoop

Bij de voorouders van deze dieren vond een grote, chaotische reorganisatie van het genoom plaats. Stukken chromosoom die daarvoor niets met elkaar te maken hadden, kwamen plotseling fysiek dicht bij elkaar te liggen. Dat bleek niet zonder gevolgen: DNA-regio's die elkaar toevallig raken, kunnen elkaars activiteit gaan beïnvloeden. Na miljoenen jaren evolutie raakten die invloeden steeds verder met elkaar verweven, tot complexe netwerken van genregulatie. De onderzoekers noemen dit proces 'regulatoire verstrengeling': losse genen die door de herschikking van het genoom geleidelijk een gedeeld regelsysteem opbouwen.

Balans tussen vernieuwing en stabiliteit

Niet elk onderdeel van het genoom bleek even gevoelig voor deze omwenteling. Grote bouwblokken, zogeheten chromatinedomeinen, bleven door de evolutie heen grotendeels stabiel. Kleinere verbindingen binnen die domeinen, chromatinelussen genoemd, waren juist sterk veranderlijk: ze verschilden per soort, per weefseltype en per ontwikkelingsfase. Precies deze flexibele lussen lagen vaak in de buurt van genen die belangrijk zijn voor cefalopode-eigenschappen, waaronder eigenschappen die met het zenuwstelsel te maken hebben.

Dat patroon suggereert dat de natuur hier een slimme truc gebruikte: de stabiele basisstructuur van het genoom bleef intact, terwijl de flexibele lussen ruimte boden om nieuwe genregulatie uit te proberen zonder essentiële functies in gevaar te brengen. Zo kon het genoom experimenteren met nieuwe patronen van genactiviteit, terwijl de kern van het systeem overeind bleef.

De bevindingen zetten vraagtekens bij het idee dat de vouwing van het genoom slechts een toevallig bijproduct van evolutie is. Ze laten juist zien dat de driedimensionale opbouw van DNA actief kan meebepalen welke kant evolutie opgaat. Bij cefalopoden lijkt dit proces mede verantwoordelijk voor het ontstaan van hun ongewoon uitgebreide en complexe zenuwstelsel.