Обнаруженные в шкуре мамонта возрастом 52 000 лет древние хромосомы поразили ученых

Исследователи обнаружили останки возрастом 52 000 лет в 2018 году недалеко от деревни Белая Гора на северо-востоке Сибири, где низкие температуры помогли сохранить структуру хромосом - крошечных нитевидных структур, которые несут генетический материал, или ДНК, — в мельчайших деталях, рассказывает CNN.

Хотя образцы древней ДНК находили много раз до этого, они, как правило, сильно фрагментированы и содержат всего сотни букв генетического кода. Ископаемые хромосомы содержат миллионы, что дает гораздо более полное представление о генетическом коде животного.

“Ископаемые хромосомы никогда раньше не находили”, - комментирует Эрез Либерман Эйден, профессор молекулярной генетики и генетического анализа человека в Медицинском колледже Бейлора и соавтор исследования, опубликованного в четверг в журнале Cell.

В предыдущих исследованиях фрагментам также не хватало упорядоченной структуры, добавил Либерман Эйден. “Здесь же фрагменты четко расположены в 3D-формате - по сути, так, как они были расположены в исходных хромосомах живого мамонта”.

По словам Ольги Дудченко, доцента кафедры молекулярной генетики и генетического анализа человека, хромосомы, которые исследователи называют “неминерализованными окаменелостями”, находятся в состоянии, достаточном для того, чтобы собрать геном или сумму всего генетического материала вымершего вида.

“Мы твердо убеждены, что это относится не только к мамонтам или к данному конкретному виду, - цитирует CNN Ольгу Дудченко, - но, по сути, открывает новую область, обладающую огромным потенциалом”.

По словам Кевина Кэмпбелла, профессора экологической и эволюционной физиологии Университета Манитобы в Канаде, который не принимал участия в исследовании, ДНК в клетках разных типов представлена в виде четких и специфических трехмерных структур, которые дают представление о конкретных свойствах или чертах этого типа клеток.

После смерти клетки организма быстро разлагаются, и эта трехмерная структура теряется в течение нескольких дней или даже меньше, добавил он. У арктических животных, таких как шерстистый мамонт, деградация происходит медленнее из-за низких температур, но ДНК все равно повреждается, и ожидается, что в течение длительного времени она потеряет структуру и признаки, составляющие биологию этого вида.

“Однако это исследование является первым, которое демонстрирует, что это не всегда так”, - написал Кэмпбелл в электронном письме.

“ДНК - это очень, очень длинная молекула, и как только она попадает туда после смерти животного, она начинает разлагаться и распадается на более короткие кусочки”, - рассказывает Дудченко.

“Обычно вы ожидаете, что все эти элементы начнут смещаться относительно друг друга и просто как бы уплывут, потеряв всякую организованность, которая там была, - отмечает Дудченко. – Но очевидно, что в данном конкретном примере этого не произошло”.

Эта потеря структуры называется диффузией, и способы ее предотвращения хорошо известны специалистам в области питания - и они не отличаются от способов приготовления вяленой говядины, добавила она.

“Замедление диффузии является ключом к сохранению продуктов, поэтому, если вы хотите сохранить их при хранении в течение длительного времени, вам, по сути, необходимо сочетание обезвоживания и охлаждения”, - сказала она. “Любые продукты, которые не являются консервированными, вероятно, находятся в состоянии замедления диффузии”.

Когда мамонт, с которого был взят образец кожи, умер, возможно, сложились благоприятные условия для естественного запуска этого процесса. “Туша могла самопроизвольно подвергнуться той же процедуре, которую мы сейчас постоянно используем в коммерческих целях, - рассказывает Дудченко. - Которая позволила удалить значительное количество воды, остановить диффузию внутри и зафиксировать эти фрагменты хромосом на месте, что позволило нам прочитать их через 52 000 лет после того, как это произошло”.

Но, несмотря на то, что она хорошо сохранилась, ДНК не была полностью неповрежденной. “Каждая хромосома, первоначально представлявшая собой одну молекулу ДНК, разделилась на миллионы молекул ДНК”, - написал Эйден в электронном письме. “Но в остальном молекулы не сильно изменились, даже в нанометровом масштабе, вот почему мы называем это ископаемой хромосомой”.

По словам Либермана Эйдена, если бы этот образец был книгой, переплет был бы утрачен, и осталось бы большое количество не скрепленных страниц или фрагментов ДНК. Диффузия подобна ветру, который уносит страницы, не давая возможности привести их в порядок. Но в этом примере страницы не разлетелись; они остались лежать аккуратной стопкой, как и до того, как был потерян переплет.

Исследователи подтвердили эту теорию консервации, проведя несколько экспериментов с вяленой говядиной, чтобы понять, насколько сильно они могут испортить мясную закуску, прежде чем хромосомы внутри нее потеряют свою структуру.

“Мы решили проверить, насколько эта прекрасная молекула может противостоять стрессу и вредным воздействиям, попросив одного из питчеров из ”Хьюстон Астрос" бросить в нее фастбол и выстрелить в нее из дробовика", - рассказала доктор Синтия Перес Эстрада, соавтор исследования и научный сотрудник Центра геномной архитектуры в Бэйлоре и в Центре теоретической биологической физики Райса.

“Вяленая говядина ломалась все больше и больше, но структура ДНК все еще сохранялась, что говорит нам о том, что ДНК чрезвычайно устойчива, особенно в таком стеклообразном состоянии (как в образце), когда молекулы в основном заморожены и ведут себя как кристаллы”, - добавила Перес Эстрада.

Благодаря недавно обнаруженной генетической информации, обнаруженной в образцах кожи, исследователи впервые смогли определить, что шерстистый мамонт имел 28 пар хромосом, как и современные слоны.

Но структура позволила им сделать еще один шаг вперед и увидеть, какие отдельные гены были активны у животного. “Все хотят знать, что именно сделало его шерстистым, - сказала Дудченко, - и у нас есть некоторые идеи, благодаря тому, как эти хромосомы были сохранены”.

Исследователи смогли сравнить отдельные гены из образца мамонта с аналогичными генами современных слонов, отметив различия в активности генов, которые регулируют волосяные фолликулы. Но ДНК слонов также была необходима для составления генома мамонта.

“Нашей мечтой и надеждой было полностью собрать геном мамонта, но на данный момент это не совсем то, к чему мы стремимся — мы все еще использовали некоторую информацию от его ближайших родственников, чтобы помочь, потому что объем данных, которые мы смогли получить от мамонта, был меньше, чем обычно требуется”, – подчеркивает Ольга Дудченко. – Но основы говорят нам о том, что, продолжая работать в этом направлении, мы сможем сделать это (без помощи ДНК слона)”.

Могут ли ископаемые хромосомы воплотить мечту о воскрешении шерстистого мамонта в реальность? “Фундаментальная биология, которую мы узнаем из этого, будет полезной, в этом нет сомнений”, - сказала Дудченко. “Стали ли мы ближе? На один шаг ближе, но впереди еще немало шагов и множество других соображений, выходящих за рамки фундаментальной науки”.

Исследователи также надеются, что та же методология, которая использовалась при исследовании образца мамонта, может быть применена к образцам других видов.

“Мы надеемся найти хромосомные структуры в музейных образцах”, - сказала Марсела Сандовал-Веласко, приглашенный исследователь из Центра эволюционной гологеномики Копенгагенского университета в Дании и соавтор исследования. - Не только образцы вечной мерзлоты, потому что это значительно сужает поиск, но и образцы из музейных коллекций. Там заложен огромный потенциал”, - добавила она, назвав шерстистого носорога, вымерших львов и странствующего голубя одними из исчезнувших видов, о которых ученые могли бы узнать больше таким образом.

По словам Перес Эстрады, этот потенциал открывает двери для дальнейших открытий.

“Чтобы найти подходящие образцы, потребуются огромные усилия, так что впереди будет много работы, но я не удивлюсь, если потом мы обнаружим что-то новое и совершенно отличное от того, что у нас есть сейчас”, - сказала она. “Это также действительно волнующий открытый вопрос: что еще и какие другие физические свойства (ДНК) могут быть сохранены?”

Исследователи, которые не принимали участия в исследовании, выразили энтузиазм по поводу полученных результатов.

По словам Питера Хайнцмана, палеогенетика из Стокгольмского университета в Швеции, это исследование является первым, позволяющим реконструировать структуру, или архитектуру, генома вымершего вида, жившего во время последнего ледникового периода. “Эта структурная информация дает представление о функциях генома шерстистого мамонта, которые были невидимы при использовании предыдущих геномных методов”, - сказал Хайнцман в электронном письме. “Таким образом, этот прогресс помогает открыть новые и захватывающие горизонты в палеогеномике, изучении древних геномов, и, вероятно, даст дальнейшее представление о том, как вымершие виды эволюционировали, жили и вымерли.”

Из-за того, насколько сильно деградировала и фрагментировалась ДНК из древних образцов, было удивительно увидеть высококачественную реконструкцию генома мамонта на хромосомном уровне, о которой сообщило это исследование, - сказал Дмитрий Филатов, профессор биологии Оксфордского университета.

“Еще более удивительно, что исследователям удалось определить, какие гены были активны, а какие выключены в образце мамонта, и сравнить это с экспрессией генов у слонов”, - написал Филатов в электронном письме. “Это, безусловно, послужит стимулом для дальнейших палеогеномных исследований других видов”.

Хендрик Пойнар, директор Центра изучения древней ДНК при Университете Макмастера в Онтарио, назвал эту работу “очень интересной”. Обычно исследователи, работающие с ископаемыми останками, не могут сделать ничего, что хотя бы отдаленно напоминало бы сборку генома, сказал Пойнар.

“Я не знаю, сколько образцов тканей сохранятся на таком уровне, - добавил он в электронном письме, - но я думаю, что этот метод заставит нас задуматься о новых способах извлечения ДНК из тканей способами, отличными от тех, к которым мы привыкли”.