Kraken-Gehirne: DNA-Schleifen könnten ihre evolutionäre Komplexität erklären

Kopffüßer zeichnen sich im Tierreich durch bemerkenswerte kognitive Leistungen und außergewöhnlich komplexe Nervensysteme aus. Eine wissenschaftliche Untersuchung unter der Leitung von Thea F. Rogers von der Universität Wien, veröffentlicht im Fachjournal Nature Communications, liefert nun neue Erklärungsansätze für diese evolutionäre Entwicklung.

Den Forschenden zufolge spielt die dreidimensionale Organisation des Erbguts – insbesondere spezifische Schleifen in der DNA-Struktur – eine zentrale Rolle bei der Herausbildung der hochentwickelten Gehirne von Kraken und verwandten Arten.

Dynamische Schleifen und evolutionäre Stabilität

Im Zentrum der Analyse steht das Konzept einer regulatorischen Verschränkung, welches das Zusammenspiel aus evolutionärer Innovation und genetischer Stabilität beschreibt.

Die Forschenden der Universität Wien stellten fest, dass grundlegende Chromatin-Domänen über lange Entwicklungszeiträume hinweg weitgehend konserviert blieben. Im Gegensatz zu diesen stabilen Domänen erwiesen sich sogenannte Chromatin-Schleifen jedoch als hochdynamisch, kontextabhängig und artspezifisch.

Hunderte dieser flexiblen Schleifen befinden sich in unmittelbarer Nähe von Genen, die für die Entwicklung des Nervensystems zuständig sind. Durch die räumliche Faltung treten regulatorische Elemente mit Genen in Kontakt, die auf dem linearen DNA-Strang weit voneinander entfernt liegen.

Die funktionale Relevanz dieses Mechanismus überprüfte das Forschungsteam experimentell: Ein gezielter Knockout einer regulatorischen Sequenz mittels der Genschere CRISPR-Cas9 belegte direkt den Einfluss der Schleifen auf die neuronale Entwicklung.

Umbau des Erbguts vor Hunderten Millionen Jahren

Die evolutionären Wurzeln dieser genetischen Architektur reichen tief in die Erdgeschichte zurück. Nach Angaben der Universität Wien legte eine großflächige Reorganisation des Erbguts vor rund 450 Millionen Jahren das Fundament für die komplexen Nervensysteme der Kopffüßer.

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Durch diese Umlagerungen gelangten ehemals getrennte Abschnitte des Erbguts in räumliche Nähe, was neue Formen der Genregulation ermöglichte. Eine weitere entscheidende Chromosomen-Umlagerung fand vor rund 270 Millionen Jahren bei den gemeinsamen Vorfahren der Coleoiden statt.

Dass diese Anpassungen mit enormen genomischen Dimensionen einhergingen, verdeutlicht der Blick auf die Erbgutgrößen. Die Genome von Kopffüßern umfassen rund 2,5 Gigabasen bei manchen Oktopussen und erreichen bei Tintenfischen sowie Sepien mehr als 5 Gigabasen.

Neue Perspektiven auf tierische Intelligenz

Für die methodische Untersuchung kombinierten die Forschenden moderne molekularbiologische Verfahren, darunter Micro-C, RNA-seq und ATAC-seq, an drei unterschiedlichen Arten: Euprymna scolopes, Sepia officinalis und Octopus bimaculoides. Der vergleichende Ansatz verdeutlichte, wie die räumliche Erbgut-Architektur artspezifische Unterschiede hervorbringt.

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Die Erkenntnisse über die dreidimensionale Verschränkung des Erbguts bei Coleoiden – zu denen Oktopusse, Tintenfische und Sepien zählen – bieten eine neuartige Perspektive auf die genetischen Grundlagen kognitiver Fähigkeiten.

Phänomene wie die ausgeprägte Problemlösungskompetenz oder die Fähigkeit zur dynamischen Tarnung lassen sich dadurch besser auf molekularer und struktureller Ebene nachvollziehen. Die Forschung zeigt, dass nicht allein neue Gene, sondern vor allem die veränderte räumliche Organisation bestehender Erbinformationen komplexe biologische Innovationen vorantreiben kann.

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