↑ 猛犸象。图片来源：Pixabay
一个国际研究小组成功重构了一只生活在5.2万年前的猛犸象基因组和三维染色体结构，这是首次利用古代DNA样本开展此类研究。该研究揭示了猛犸象基因组在细胞内的组织方式，以及特定基因在皮肤组织中的表达情况。相关研究7月11日发表于《细胞》。
了解基因组的三维结构可以提供除序列之外的许多额外信息，但大多数古DNA标本都是由非常小的、混乱的DNA片段组成。在绘制人类基因组三维结构的基础上，论文通讯作者、美国贝勒医学院基因组结构中心主任Erez Lieberman Aiden认为，如果能找到正确的古DNA样本——三维结构仍然完好的样本，就有可能使用同样的策略组装古代基因组。
研究人员在5年里测试了数十个样本，但进展缓慢。幸运的是，2018年在俄罗斯西伯利亚东北部出土了一只保存异常完好的猛犸象。“它在死后不久就被冻干了。脱水样品中的细胞核结构可以保存很长时间。”论文通讯作者、贝勒医学院的Olga Dudchenko说。
这种冻干条件使DNA以类似玻璃的状态被保存下来，避免了常规古DNA样本常见的降解问题，从而保存了前所未有的结构细节。“这些染色体化石的长度是普通古DNA片段的数百万倍，代表了一种全新的化石类型。”Aiden说。
为重建猛犸象的基因组结构，研究人员从其耳后的皮肤样本中提取了DNA。他们使用了一种名为Hi-C的方法，可以检测到DNA的哪些部分在空间上很接近，并在细胞核中以自然状态相互作用。
“想象一下，你有一个由30亿个碎片组成的拼图，但却没有最终拼好后的样子。”论文通讯作者、西班牙巴塞罗那国家基因学中心和基因组调控中心结构基因组学家MarcA.Marti-Renom说，“Hi-C可以让你在把拼图拼凑在一起之前，有一个近似的图像。”
结合DNA测序，研究人员确定了相互作用的DNA区域，并参照现代大象的基因组构建了猛犸象基因组的有序模型。结果显示，猛犸象有28条染色体，与现生亚洲象和非洲象一致。特别需要指出的是，猛犸象染色体保留了高度的物理完整性和精细特征，如纳米级的环状结构，这对转录因子与目标基因的交互至关重要。
通过检查细胞核内基因的区隔化，研究人员能够识别猛犸象皮肤细胞内活跃和不活跃的基因——这是表观遗传学或转录组学的指标。与其最近的亲戚亚洲象的皮肤细胞相比，猛犸象的皮肤细胞有不同的基因激活模式，包括可能与长毛和耐寒性有关的基因。
“我们首次有了一个猛犸象组织，并大致知道哪些基因被打开、哪些基因被关闭。”Marti-Renom说，“这是一种非凡的新型数据，也是对任何古DNA样本的细胞特异性基因活性的首次测量。”
尽管这项研究使用的方法依赖于保存完好的化石，但研究人员乐观地认为，它可以用于研究从猛犸象到埃及木乃伊，以及近代博物馆标本的古代DNA样本。
接下来，研究人员将检查猛犸象其他组织的表观遗传模式。论文通讯作者、丹麦哥本哈根大学和挪威科技大学的古基因组学家M.Thomas Gilbert说：“这些结果对复活猛犸象有明显的帮助。”
相关论文信息：http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.06.002
来源：中国科学报
作者：晋楠
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷