维也纳大学的研究人员发现，数亿年前DNA的大规模重组使得原本分离的基因区域发生了接触。这些新形成的连接改变了基因相互作用和受调控的方式，可能有助于推动这些动物（统称为鞘亚纲头足类动物）体内异常复杂的神经系统的进化。
发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的这些发现表明，DNA的物理结构在进化中发挥的作用可能比科学家曾经认为的要积极得多。
DNA的三维结构如何影响进化
为了探究这种可能性，研究团队重建了章鱼、鱿鱼和乌贼的基因组三维结构。然后，他们将DNA的排列与基因活动模式进行比较，以了解基因组结构的变化如何影响生物复杂性。
“基因组不仅仅是一串基因序列。它被折叠成复杂的三维结构，”主要作者西娅·罗杰斯（Thea Rogers）博士说，“理解这种结构如何进化，对于理解新的生物复杂性形式是如何产生的，正变得越来越重要。”
尽管DNA经常被描绘成一条长而扭曲的梯子，但它在细胞内并不是简单地伸展开来。相反，它折叠成复杂的3D排列，使得沿着DNA序列相距甚远的区域能够发生紧密的物理接触。
这些连接很重要，因为它们可以影响哪些基因被激活、何时被使用以及它们发挥作用的强度。因此，DNA折叠方式的改变可以在不改变潜在遗传指令的情况下改变基因活动。
古老的DNA重排创造了新的基因连接
研究人员发现有证据表明，头足类动物的基因组在数亿年前经历了一个广泛的重组时期。在这场进化剧变中，大片段的遗传物质被重排，使得此前分离的染色体区域靠近到一起。
这种重排为DNA区域之间以前所未有的方式进行相互作用创造了机会。一旦这些连接形成，它们就能相互影响彼此的活动，逐渐建立起更复杂的基因调控网络。
在漫长的进化时间中，这些相互作用可能变得越来越相互交织且难以分离，科学家将这一过程称为“调控纠缠”。
这一机制为进化如何在不破坏生物体生存所需基本功能的情况下产生新的生物学特征提供了一个可能的解释。通过在现有遗传元件之间建立新的连接，基因组可能会发展出不同的基因活动模式，同时保持关键的生物系统完好无损。
稳定的DNA结构与灵活的基因环
该研究最具启发性的发现之一是，基因组的不同部分对进化重排的反应截然不同。
研究人员发现，被称为染色质结构域的大型结构区域在漫长的进化历史中保持着显著的稳定性。这些结构域有助于将DNA组织成细胞内的广泛区域，它们的持续存在表明基因组架构的某些特征受到了强烈的保守。
然而，被称为染色质环的较小结构却呈现出不同的情况。
这些环在DNA相距遥远的部分在三维空间中被拉到一起时形成。与相对稳定的染色质结构域不同，这些环在头足类物种之间、组织之间以及发育阶段之间都表现出显著的差异。
特别引人注目的是它们的位置。许多这种灵活的DNA连接出现在与重要头足类动物特征（包括神经系统的发育和功能）相关的基因附近。
这种模式表明，基因组内较小、适应性更强的结构可能对重大基因重排尤为敏感。通过改变哪些DNA区域可以进行交流，这些灵活的连接可能有助于产生新的基因活动模式，并促进复杂性状的进化。
章鱼智力进化的新线索
这一发现挑战了将基因组架构视为主要随进化而改变的传统观点。相反，研究结果表明，DNA的物理组织本身就能影响进化变化展开的方式。
在章鱼、鱿鱼和乌贼中，古老的基因组重排可能有助于建立新的调控网络，从而促进了它们异常复杂的神经系统的发育。
这些结果并未证明这些DNA变化直接导致了头足类动物智力的进化。然而，它们揭示了一种潜在机制，即大规模基因重排可以在保留基本功能的同时创造新的生物学可能性。
更广泛地说，这项研究指出了进化中一个常被忽视的维度。非凡性状的出现可能不仅取决于生物体继承了哪些基因，还取决于这些基因在细胞内是如何进行物理排列和连接的。