头足类动物的基因组一直在打破规则。

加勒比珊瑚礁章鱼 (Octopus briareus) 夜间在库拉索岛的珊瑚礁上狩猎。 （图片来源：Wild Horizons/Universal Images Group via Getty Images）

鱿鱼、章鱼和墨鱼的基因组被打乱了，这可能有助于解释这些头足类动物是如何进化出所有无脊椎动物中最复杂的神经系统的。

新的基因测序显示，这些动物的基因是混合在一起的，排列方式很奇怪，在其他非头足类物种中是看不到的。 研究合著者、芝加哥大学海洋生物实验室的生物学家卡罗琳·艾伯丁 (Caroline Albertin) 告诉 Live Science，这种 DNA 混合和匹配可能为进化提供了一个新的沙盒。

“一个假设是这些新的基因排列导致了新的表达模式，这意味着这些基因可以在新的地方或以新的方式使用，”Albertin 说，他指的是基因被“表达”或激活的过程 创造在体内做某种工作的蛋白质。

反过来，这些新机会可以解释一些鱿鱼和章鱼令人难以置信的能力，例如先进的视力或拥有自己“大脑”的手臂。

读取头足类基因组

长期以来，科学家们一直怀疑头足类动物基因组中正在发生奇怪的事情。 2015 年，当 Albertin 和她的同事对第一个章鱼基因组进行测序时，他们预计会看到与许多脊椎动物相似的遗传进化模式：复制。在地球上漫长的生命历史中，所有有颚的脊椎动物都复制了两次基因组，这意味着哺乳动物、鸟类、鱼类、两栖动物和鲨鱼都积累了四个原始基因组副本。这些复制的基因中的一些已经丢失，但许多已经被进化借来承担新的角色。

“它为进化开辟了一个完整的基因组游乐场，”阿尔伯丁说。 “[M]也许这四个基因中的一个可以启动并开始做其他事情。”

有理由认为，头足类动物的进化涉及相同的复制过程。但是，当他们开始深入研究章鱼基因组时，Albertin 和她的同事们没有发现任何证据表明头足类动物已经完成了这种基因复制粘贴。现在，该团队更深入，使用下一代测序技术将两种鱿鱼的染色体水平读数拼凑在一起——夏威夷短尾鱿鱼（Euprymna scolopes）和长鳍近海鱿鱼（Doryteuthis pealeii）——以及一只章鱼——加利福尼亚的两只-斑点章鱼（Octopus biamaculoides）。

在 4 月 21 日和 5 月 4 日发表在《自然通讯》杂志上的论文中，研究人员使用了三种不同的基因组测序方法来解码基因组，包括可以读取数千个 DNA 碱基对的最先进的长读长测序。一次。 （梯状 DNA 分子的梯级由氮碱基对组成。）如果基因组是一本书，或者更准确地说，是一系列很长的书——夏威夷短尾鱿鱼有 55 亿个碱基对Albertin 说，在其基因组中，长读长测序让科学家们可以阅读页面而不是段落。

混杂的基因，复杂的大脑？

结果表明，头足类动物的基因组已经被搅动和打乱了。 Albertin 的研究合著者，维也纳大学的 Hannah Schmidbaur 和 Oleg Simakov 及其同事将头足类基因与在各种动物物种中发现的数千个相似基因进行了比较。他们发现了 505 个由三个或更多基因组成的块，这些基因在鱿鱼和章鱼中同时出现，但在其他动物中没有一起发现。例如，如果在蜗牛、鱼和果蝇的 5 号染色体上通常发现基因 A、B 和 C 非常接近，那么它们通常会分散在头足类动物的三个独立染色体上。

Albertin 说，这一发现“令人难以置信”，因为基因顺序通常保持不变，即使在进化树上相距甚远的物种中也是如此。

“对于进化生物学家来说，这表明你保持基因顺序是有原因的，”她说。 “而头足类动物似乎打破了这些规则。”

目前尚不清楚头足类动物是如何摆脱这种遗传不服从的。 Albertin 说，基因加扰发生在头足类动物的多代和数亿年的时间里，它可能依赖于“跳跃基因”，也称为转座因子，它们是可以在基因组中跳跃的 DNA 序列。

研究人员检查了哪些基因在头足类组织中活跃，发现许多独特的头足类基因组在神经组织中忙碌，暗示这些特殊序列可能在头足类智能进化中发挥了作用。

“这确实指向了一个令人兴奋的新视角，即新特征如何在进化中出现，”阿尔贝丁说。