章鱼聪明的“秘密”：科学家发现其背后的基因新线索

维也纳大学研究人员发现，约数亿年前，头足类动物（包括章鱼、鱿鱼和墨鱼）的DNA曾发生大规模重组，使原本在染色体上相距较远、彼此分离的基因区域在细胞内重新靠近并形成接触。这些新形成的三维连接改变了基因之间相互作用和受调控的方式，可能推动了这类动物异常复杂的神经系统演化。相关结果发表在《自然·通讯》上，提示DNA的物理结构可能在演化中扮演比科学家过去想象的更主动的角色。\n\n为了检验这一想法，研究团队重建了章鱼、鱿鱼和墨鱼基因组在三维空间中的组织方式，并将DNA的空间排列与基因活动模式进行比较，以理解基因组结构变化如何影响生物复杂性。论文第一作者西娅·罗杰斯博士说：“基因组不仅是基因序列，还被折叠成复杂的三维结构。理解这种结构如何演化，对于认识新的生物复杂性形式如何产生，正变得越来越重要。”\n\nDNA通常被描绘成一条长长的扭曲梯子，但它在细胞中并不是简单地拉直展开，而是折叠成错综复杂的三维结构。这使得在DNA序列上相距很远的位置，能够在物理空间中彼此接触。这种接触很重要，因为它们可能影响哪些基因被开启、何时使用，以及功能强弱。因此，DNA折叠方式的变化可以在不改变底层遗传指令的情况下改变基因活动。\n\n研究人员发现，头足类动物基因组在数亿年前曾经历一段大规模重组时期。在这场演化震荡中，大片遗传物质被重新排列，使原本分离的染色体区域靠近。这种重排让DNA区域以前所未有的方式相互作用。一旦这些连接形成，它们可能彼此影响活性，逐渐建立更精细复杂的基因调控网络。随着时间推移，这些相互作用可能越来越紧密缠绕、难以分开，科学家将这一过程称为“调控纠缠”。\n\n这一机制为演化如何产生新的生物特征、同时又不破坏生物体生存所必需的基本功能，提供了一种可能解释。通过让已有遗传元件建立新的联系，基因组可以发展出不同的基因活动模式，同时保留关键生命系统。\n\n该研究的一个关键发现是：基因组不同部分对演化重排的反应非常不同。研究人员发现，称为“染色质结构域”的大片结构区域在漫长的演化历史中相当稳定。这些结构域帮助把DNA组织成细胞内的大区域，它们长期存在说明基因组架构的某些特征受到高度保守。但较小的结构“染色质环”则表现得很不同。\n\n染色质环是在三维空间中把DNA上相距较远的区段拉到一起形成的。与相对稳定的结构域相比，这些环在头足类动物不同物种之间、不同组织之间以及发育阶段之间都存在显著差异。尤其令人感兴趣的是它们的位置：许多灵活的DNA连接出现在与头足类重要特征相关的基因附近，包括神经系统的发育和功能。这一模式说明，基因组中更小、更灵活的结构可能对重大遗传重排特别敏感。通过改变哪些DNA区域能够互相“沟通”，这些灵活连接可能帮助产生新的基因活动模式，并促进复杂性状的演化。\n\n这一发现为理解章鱼智能的演化提供了新线索。它挑战了一种传统观点，即基因组结构主要是被动地随演化而变化。相反，结果显示，DNA的物理组织本身就可能影响演化变化如何展开。在章鱼、鱿鱼和墨鱼中，远古的基因组重排可能帮助建立新的调控网络，进而促成它们高度精密神经系统的形成。研究结果并不能证明这些DNA变化直接导致了头足类动物智能的演化，但它们揭示了一种潜在机制：大规模遗传重排可以在保留基本生命功能的同时创造新的生物可能性。更广泛地说，这项研究指向演化中常被忽视的一个维度：非凡性状的出现，可能不仅取决于生物继承了哪些基因，也取决于这些基因在细胞中如何被物理地排列、折叠和连接。