Międzynarodowy zespół badawczy zmontował genom i trójwymiarowe struktury chromosomowe 52 000-letniego mamuta włochatego — po raz pierwszy udało się tego dokonać w przypadku jakiejkolwiek starożytnej próbki DNA. Skamieniałe chromosomy, które są około milion razy dłuższe niż większość starożytnych fragmentów DNA, dają wgląd w to, jak genom mamuta był zorganizowany w jego żywych komórkach i które geny były aktywne w tkance skóry, z której wyekstrahowano DNA. Ten bezprecedensowy poziom szczegółów strukturalnych został zachowany, ponieważ mamut został poddany liofilizacji wkrótce po śmierci, co oznaczało, że jego DNA zostało zachowane w stanie przypominającym szkło. Wyniki przedstawiono 11 lipca w czasopiśmie Cell.
„To nowy typ skamieniałości, a jej skala przyćmiewa skalę pojedynczych starożytnych fragmentów DNA – milion razy więcej sekwencji” – mówi autor korespondencyjny Erez Lieberman Aiden, dyrektor Centrum Architektury Genomu w Baylor College of Medicine. „To także pierwszy raz, kiedy ustalono kariotyp jakiegokolwiek rodzaju dla starożytnej próbki”.
Znajomość trójwymiarowej architektury genomu dostarcza wielu dodatkowych informacji wykraczających poza jego sekwencję, ale większość starożytnych okazów DNA składa się z bardzo małych, pomieszanych fragmentów DNA. Opierając się na pracy nad mapowaniem trójwymiarowej struktury ludzkiego genomu, Aiden pomyślał, że jeśli uda się znaleźć właściwą próbkę starożytnego DNA — taką, w której trójwymiarowa organizacja fragmentów jest nadal nienaruszona — będzie można zastosować te same strategie do złożenia starożytnych genomów.
Naukowcy przetestowali dziesiątki próbek w ciągu pięciu lat, zanim wylądowali na niezwykle dobrze zachowanym mamucie włochatym, który został wykopany w północno-wschodniej Syberii w 2018 roku. „Uważamy, że spontanicznie zamroził się wkrótce po śmierci” — mówi autorka korespondencyjna Olga Dudchenko z Center for Genome Architecture w Baylor College of Medicine. „Architektura jądrowa w odwodnionej próbce może przetrwać niewiarygodnie długi okres czasu”.
Aby zrekonstruować architekturę genomową mamuta, naukowcy wyekstrahowali DNA z próbki skóry pobranej za uchem mamuta. Zastosowali metodę zwaną Hi-C, która pozwala im wykryć, które sekcje DNA prawdopodobnie znajdują się w bliskiej odległości przestrzennej i oddziałują ze sobą w ich naturalnym stanie w jądrze.
„Wyobraź sobie, że masz układankę składającą się z trzech miliardów elementów, ale nie masz obrazu ostatecznej układanki, na podstawie którego mógłbyś pracować” — mówi autor korespondencyjny Marc A. Marti-Renom, profesor badawczy ICREA i genomik strukturalny w Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica (CNAG) i Centre for Genomic Regulation (CRG) w Barcelonie. „Hi-C pozwala ci mieć przybliżony obraz, zanim zaczniesz składać elementy układanki”.
Następnie połączyli informacje fizyczne z analizy Hi-C z sekwencjonowaniem DNA, aby zidentyfikować oddziałujące sekcje DNA i stworzyć uporządkowaną mapę genomu mamuta, używając genomów współczesnych słoni jako szablonu. Analiza wykazała, że mamuty włochate miały 28 chromosomów — tyle samo, co współczesne słonie azjatyckie i afrykańskie. Co godne uwagi, skamieniałe chromosomy mamuta zachowały również ogromną ilość integralności fizycznej i szczegółów, w tym pętle nanoskalowe, które powodują kontakt czynników transkrypcyjnych z genami, które kontrolują.
Badając kompartmentalizację genów w jądrze, naukowcy byli w stanie zidentyfikować geny, które były aktywne i nieaktywne w komórkach skóry mamuta – substytut epigenetyki lub transkryptomiki. Komórki skóry mamuta miały odrębne wzorce aktywacji genów w porównaniu do komórek skóry jego najbliższego krewnego, słonia azjatyckiego, w tym dla genów potencjalnie związanych z jego wełnowatością i tolerancją na zimno.
„Po raz pierwszy mamy tkankę mamuta włochatego, dla której wiemy mniej więcej, które geny były włączone, a które wyłączone” — mówi Marti-Renom. „To niezwykły nowy typ danych i pierwszy pomiar aktywności genów specyficznych dla komórek w jakiejkolwiek starożytnej próbce DNA”.
Chociaż metoda zastosowana w tym badaniu opiera się na niezwykle dobrze zachowanych skamieniałościach, naukowcy są optymistami i wierzą, że można ją wykorzystać do badania innych starożytnych okazów DNA – od mamutów po egipskie mumie – a także do nowszych, zachowanych okazów muzealnych.
W przypadku mamutów kolejne kroki obejmowałyby zbadanie wzorców epigenetycznych innych tkanek. „Wyniki te mają oczywiste konsekwencje dla współczesnych wysiłków mających na celu odtworzenie mamutów włochatych” — mówi autor korespondencyjny M. Thomas Gilbert, paleogenomik z Uniwersytetu Kopenhaskiego i Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii.