Wspólne badanie pozwoliło odkryć zachowane starożytne struktury chromosomowe u mamuta włochatego liczącego 52 000 lat, dostarczając bezprecedensowego wglądu w jego genetykę i warunki umożliwiające taką konserwację, porównując je z technikami żywności liofilizowanej.
Przełom umożliwia obecnie składanie genomów wymarłych gatunków.
Zespół naukowców z Baylor College of Medicine, Uniwersytetu w Kopenhadze, Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica i Centrum Regulacji Genomu odkrył skamieniałości starożytnych chromosomów w szczątkach mamuta włochatego, który zmarł 52 000 lat temu. Skamieniałości te zachowują strukturę starożytnych chromosomów w skali nanometrowej – miliardowych części metra. Odkrycie można zobaczyć na okładce Komórka.
„Znamy te maleńkie fragmenty starożytności DNA mogą przetrwać przez długi czas” – stwierdziła dr Marcela Sandoval-Velasco z Centrum Hologenomiki Ewolucyjnej na Uniwersytecie w Kopenhadze i współautorka nowego badania. „Ale to, co tu znaleźliśmy, to próbka, w której trójwymiarowy układ tych fragmentów DNA został zamrożony na dziesiątki tysiącleci, zachowując w ten sposób strukturę całego chromosomu”.
Rewolucyjne narzędzia do badań genetycznych
Chromosomy kopalne są nowym, potężnym narzędziem do badania historii życia na Ziemi. Dzieje się tak dlatego, że typowe starożytne fragmenty DNA rzadko są dłuższe niż 100 par zasad, czyli 100 liter kodu genetycznego – znacznie mniejsze niż pełna sekwencja DNA organizmu, która często ma długość miliardów liter. Natomiast chromosomy kopalne mogą obejmować setki milionów liter genetycznych.
„Porównując starożytne cząsteczki DNA z sekwencjami DNA współczesnych gatunek, możliwe jest znalezienie przypadków, w których zmieniły się pojedyncze litery kodu genetycznego” – powiedziała współpierwsza autorka i współautorka do korespondencji, dr Olga Dudchenko, adiunkt genetyki molekularnej i człowieka w Centrum Architektury Genomu w Baylor College of Medicine i starszy badacz w Centrum Teoretycznej Fizyki Biologicznej na Uniwersytecie Rice. „Chromosomy kopalne zmieniają reguły gry, ponieważ znajomość kształtu chromosomów organizmu umożliwia złożenie całej sekwencji DNA wymarłych stworzeń. Umożliwia to uzyskanie spostrzeżeń, które wcześniej nie byłyby możliwe”.
Ponieważ skamieniałe chromosomy pochodziły od mamuta, jedną z pierwszych rzeczy, które zrobił zespół, było określenie liczby chromosomów mamuta włochatego. „Odkryliśmy, że miały 28 par chromosomów, co ma ogromny sens, ponieważ właśnie to mają współczesne słonie i są najbliższym żyjącym krewnym mamuta włochatego” – powiedział dr Juan Antonio Rodríguez, współpierwszy autor badania oraz badacz na Uniwersytecie w Kopenhadze i Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica w Barcelonie, Hiszpania. „Możliwość policzenia chromosomów wymarłego stworzenia po raz pierwszy była niezwykle ekscytująca. Zwykle nie jest możliwe, aby mieć tyle frajdy po prostu licząc od jednego do 28.
Wgląd w genetykę mamutów
Badając skamieniałe chromosomy pochodzące ze skóry mamuta, można było sprawdzić, które geny są aktywne. Dzieje się tak ze względu na zjawisko zwane kompartmentalizacją chromosomów – fakt, że aktywny i nieaktywny DNA ma tendencję do segregacji na dwa przestrzenne sąsiedztwa wewnątrz jądra komórkowego. W przypadku większości genów stan aktywności odpowiada temu, co badacze zaobserwowali w skórze współczesnego słonia. Ale nie zawsze.
„Oczywiste dla nas pytanie brzmiało: dlaczego jest to „mamut włochaty”? Dlaczego nie jest to „szokująco łysy mamut”?” powiedział dr Thomas Gilbert, dyrektor Centrum Hologenomiki i współautor artykułu. „Fakt, że w tych skamieniałościach nadal zachowała się podział na przedziały, miał kluczowe znaczenie, ponieważ umożliwił po raz pierwszy sprawdzenie, które geny są aktywne u mamuta włochatego. Okazuje się, że istnieją kluczowe geny regulujące rozwój mieszków włosowych, których schemat działania jest zupełnie inny niż u słoni.
Naukowcy dostrzegli coś więcej niż tylko podział na przedziały w kształcie tych starożytnych chromosomów. W rzeczywistości chromosomy miały wiele wspólnych cech strukturalnych z nowoczesnymi chromosomami. Najbardziej spektakularną z tych cech była także najmniejsza: pętle chromatyny, struktury tak małe jak 50 nm, które zespół Baylor po raz pierwszy zmapował u ludzi zaledwie 10 lat temu.
„Przetrwanie pętli w tych starożytnych chromosomach jest być może najbardziej imponujące” – powiedział profesor badawczy ICREA Marc A. Marti-Renom, współautor korespondujący z badaniami i kierownik grupy w Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica, a także Centrum Regulacji Genomu, oba w Barcelonie, Hiszpania. „Pętle DNA, które mają zaledwie 50 nanometrów, są ważne, ponieważ przybliżają aktywujące sekwencje DNA do docelowych genów. Zatem te skamieliny nie tylko pokazują nam, które geny były aktywne, ale pokazują nam, dlaczego”.
Jednak badaczom pozostała zagadka: w jaki sposób fragmenty DNA starożytnych chromosomów mogły przetrwać 52 000 lat z nienaruszoną trójwymiarową strukturą? Przecież w roku 1905 – swoim „annus mirabilis”, czyli „roku cudów” – Albert Einstein opublikował klasyczną pracę obliczającą, jak szybko małe cząstki, takie jak kawałki DNA, mają tendencję do przemieszczania się przez substancję. „Praca Einsteina pozwala na bardzo proste przewidywanie dotyczące skamieniałości chromosomów: w zwykłych okolicznościach nie powinny one istnieć” – powiedział Dudczenko. „A jednak: oto oni. To była zagadka fizyki!”
Rozwiązywanie prehistorycznej łamigłówki
Aby wyjaśnić tę pozorną sprzeczność, naukowcy zdali sobie sprawę, że skamieniałości chromosomów znajdowały się w bardzo szczególnym stanie, bardzo przypominającym stan cząsteczek w szkle. „Chromoszkło jest bardzo podobne do szkła w twoim oknie: jest sztywne, ale nie jest to kryształ uporządkowany” – powiedział dr Erez Lieberman Aiden, współautor badania, dyrektor Centrum Architektury Genomu i profesor w Baylor Uniwersytet Medyczny. „Jeśli przyjrzeć się poszczególnym cząsteczkom, kawałek szkła – lub kawałek chromoszkła – to w zasadzie korek w skali nano zderzak w zderzak w świecie bez oznaczeń pasów ruchu. W takiej sytuacji pojedyncze cząstki lub pojedyncze fragmenty starożytnego DNA po prostu nie mogą się przesunąć zbyt daleko. Nawet jeśli będziesz czekać tysiące lat.
Pomysł, że szczątki mamuta odkryte w 2018 roku w syberyjskiej wiecznej zmarzlinie zachowały się w stanie przypominającym szkło, nie jest aż tak naciągany. Nie zdając sobie z tego sprawy, wiele cywilizacji opracowało sposoby wywoływania „zeszklenia” w żywności w celu jej konserwacji, zwykle poprzez połączenie chłodzenia i odwodnienia. W rezultacie żywność taka jak chipsy tortilla i suszona wołowina była bardziej krucha niż oryginalna żywność, ale trwała znacznie dłużej. I dlatego przejście szkliste stało się kluczową koncepcją dla współczesnych naukowców zajmujących się żywnością. Zasadniczo naukowcy odkryli, że skamieliny chromosomów zostały uwięzione w kawałku liofilizowanego suszonego mamuta włochatego.
„Potwierdziliśmy tę teorię, przeprowadzając eksperymenty na starym, liofilizowanym suszonym wołowinie, który jest znacznie łatwiejszy do znalezienia niż suszony mamut włochaty” – wyjaśnia dr Cynthia Pérez Estrada, współpierwsza autorka badania i badaczka w Centrum ds. Architektura genomu oraz w Centrum Teoretycznej Fizyki Biologicznej Uniwersytetu Rice. – Strzeliliśmy do niego ze strzelby. Przejechaliśmy po nim samochodem. Były miotacz drużyny Houston Astros rzucał w niego szybką piłką. Za każdym razem suszone mięso rozpadało się na drobne kawałki – rozbijając się jak szkło. Ale w skali nano chromosomy pozostały nienaruszone, niezmienione. To jest powód, dla którego te skamieliny mogą przetrwać. Właśnie dlatego tam były 52 000 lat później i tylko czekały, aż je znajdziemy”.
Więcej informacji na temat tego badania można znaleźć w artykule Odsłonięcie genomu mamuta włochatego za pomocą przełomowej technologii DNA.
Odniesienie: „Trójwymiarowa architektura genomu utrzymuje się w próbce skóry mamuta włochatego sprzed 52 000 lat”: Marcela Sandoval-Velasco, Olga Dudchenko, Juan Antonio Rodríguez, Cynthia Pérez Estrada, Marianne Dehasque, Claudia Fontsere, Sarah ST Mak, Ruqayya Khan , Vinícius G. Contessoto, Antonio B. Oliveira Junior, Achyuth Kalluchi, Bernardo J. Zubillaga Herrera, Jiyun Jeong, Renata P. Roy, Ishawnia Christopher, David Weisz, Arina D. Omer, Sanjit S. Batra, Muhammad S. Shamim, Neva C. Durand, Brendan O’Connell, Alfred L. Roca, Maksim V. Plikus, Mariya A. Kusliy, Svetlana A. Romanenko, Natalya A. Lemskaya, Natalya A. Serdyukova, Svetlana A. Modina, Polina L. Perelman, Elena A. Kizilova, Sergei I. Baiborodin, Nikolai B. Rubtsov, Gur Machol, Krisha Rath, Ragini Mahajan, Parwinder Kaur, Andreas Gnirke, Isabel Garcia-Treviño, Rob Coke, Joseph P. Flanagan, Kelcie Pletch, Aurora Ruiz-Herrera , Valerii Plotnikov, Innokentiy S. Pavlov, Naryya I. Pavlova, Albert V. Protopopov, Michele Di Pierro, Alexander S. Graphodatsky, Eric S. Lander, M. Jordan Rowley, Peter G. Wolynes, José N. Onuchic, Love Dalén , Marc A. Marti-Renom, M. Thomas P. Gilbert i Erez Lieberman Aiden, 11 lipca 2024 r., Komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.06.002
