3D Struktur von DNA könnte erklären, wie Kopffüßer komplexe Gehirne entwickelten

Coleoiden – darunter Kraken, Tintenfische und Sepien – verfügen über ein außergewöhnlich großes und aufwendig strukturiertes Nervensystem, das komplexe Verhaltensweisen wie Problemlösungsprozesse und eine schnelle Tarnanpassung ermöglicht. Eine Studie der Universität Wien legt nahe, dass der Ursprung dieser Komplexität nicht primär in den Genen selbst verankert ist, sondern maßgeblich in der dreidimensionalen Anordnung des Genoms liegt. Eine frühzeitige, umfassende Reorganisation veränderte die räumliche Konformation der DNA innerhalb der Zelle, brachte zuvor weit voneinander entfernte Abschnitte in direkten Kontakt und modifizierte so die Mechanismen der Genregulation fundamental.

Das Forschungsteam kombinierte Daten zur DNA-Struktur mit Analysen der Genaktivität. „Das Genom ist nicht nur eine Abfolge von Genen. Es ist zu einer komplexen dreidimensionalen Struktur gefaltet“, sagte Thea Rogers. „Zu verstehen, wie sich diese Struktur entwickelt, wird immer wichtiger, um zu begreifen, wie neue Formen biologischer Komplexität entstehen.“

Regulatorische Verflechtung durch Genomumstrukturierung

Die spektroskopischen und sequenzbasierten Analysen zeigen, dass eine groß angelegte Welle der Genom-Reorganisation vor Hunderten von Millionen Jahren zuvor distanzierte Chromosomenregionen in unmittelbare Nähe zueinander brachte. Geraten diese DNA-Regionen in physischen Kontakt, beeinflussen sie wechselseitig ihre Transkriptionsaktivität. Im Laufe der Evolution verfestigen sich diese Interaktionen zu hochgradig vernetzten regulatorischen Netzwerken. Dieser als „regulatorische Verflechtung“ bezeichnete Mechanismus ermöglicht es Genomen, neuartige Genexpressionsmuster zu etablieren und gleichzeitig essenzielle Grundfunktionen aufrechtzuerhalten.

Stabilität von Chromatindomänen vs. Dynamik von Chromatinschleifen

Während großskalige strukturelle Einheiten des Genoms, sogenannte Chromatindomänen, im Laufe der Evolution weitgehend stabil blieben, zeigten feingliedrigere Strukturen eine ausgeprägte Plastizität. Insbesondere Chromatinschleifen, welche weit voneinander entfernte DNA-Sequenzen verknüpfen, erwiesen sich als hochdynamisch. Diese Schleifen variieren stark zwischen verschiedenen Spezies, Gewebetypen und Entwicklungsstadien. Sie traten gehäuft in der Nähe von Genen auf, die für schlüsselige Merkmale der Kopffüßer – insbesondere für die neuronale Entwicklung – codieren. Dies deutet darauf hin, dass flexiblere Genomregionen besonders stark von großräumigen Veränderungen der DNA-Organisation profitieren.

Aktive Rolle der DNA-Organisation in der Evolution

Die Ergebnisse widerlegen die Annahme, dass die räumliche Genomarchitektur lediglich ein passives Produkt evolutionärer Prozesse ist. Die dreidimensionale Organisation der DNA greift vielmehr aktiv in den Evolutionsverlauf ein und spielte bei den Coleoiden eine Schlüsselrolle bei der Ausprägung ihres hochkomplexen Nervensystems.

Quelle

Universität Wien (10/2026)