Розкрито геном шерстистого мамонта за допомогою новаторської технології ДНК

Революційне дослідження відобразило геном і 3D-хромосомну архітектуру 52 000-річного шерстистого мамонта, розкриваючи деталі його генетичної активності та відкриваючи нові перспективи для досліджень припинення вимирання. Міжнародна група дослідників зібрала геном і тривимірні хромосомні структури 52 000-річного шерстистого мамонта. Це перший випадок, коли такий подвиг був досягнутий для будь-якого стародавнього зразка ДНК.

Скам’янілі хромосоми, які приблизно в мільйон разів довші за більшість стародавніх фрагментів ДНК, дають зрозуміти, як геном мамонта був організований у його живих клітинах і які гени були активними в тканині шкіри, з якої було вилучено ДНК. Цей безпрецедентний рівень структурних деталей був збережений, тому що мамонт піддався сублімації незабаром після смерті, що означало, що його ДНК збереглася у склоподібному стані. Результати представлені сьогодні (11 липня) в журналі Cell.

Досягнення геномної архітектури

«Це новий тип скам’янілостей, і його масштаби перевершують масштаби окремих стародавніх фрагментів ДНК — у мільйон разів більше послідовності», — говорить автор-кореспондент Ерез Ліберман Ейден, директор Центру архітектури генома Медичного коледжу Бейлора. «Це також перший випадок, коли каріотип будь-якого типу був визначений для стародавнього зразка».

Знання тривимірної архітектури геному надає багато додаткової інформації, окрім його послідовності, але більшість стародавніх зразків ДНК складаються з дуже маленьких переплутаних фрагментів ДНК. Розвиваючи роботу по картографуванню 3D-структури геному людини, Ейден подумав, що якщо вдасться знайти потрібний стародавній зразок ДНК — з незмінною 3D-організацією фрагментів — можна буде використати ті самі стратегії для збирання стародавніх геномів.

Безпрецедентне збереження ДНК

Дослідники перевіряли десятки зразків протягом п’яти років, перш ніж висадитися на незвичайно добре збереженому шерстистому мамонті, який був розкопаний у північно-східному Сибіру в 2018 році. «Ми вважаємо, що він спонтанно ліофілізовано незабаром після своєї смерті», — говорить автор-кореспондент Ольга Дудченко. Центру архітектури генома в Бейлорському коледжі медицини. «Ядерна архітектура в зневодненому зразку може виживати протягом неймовірно тривалого періоду часу».

Щоб реконструювати геномну архітектуру мамонта, дослідники витягли ДНК із зразка шкіри, взятого за вухом мамонта. Вони використовували метод під назвою Hi-C, який дозволяє їм виявити, які ділянки ДНК, ймовірно, знаходяться в безпосередній просторовій близькості та взаємодіють один з одним у своєму природному стані в ядрі.

Уявлення про генетику шерстистого мамонта

«Уявіть, що у вас є головоломка, яка складається з трьох мільярдів частин, але у вас немає остаточної картини головоломки, з якою можна працювати», — каже кореспондент Марк А. Марті-Реном, професор-дослідник ICREA та структурний геномік із Національного центру. d’Anàlisi Genòmica (CNAG) і Центр геномної регуляції (CRG) у Барселоні. «Hi-C дозволяє отримати наближену картину до того, як ви почнете збирати частини пазла».

Потім вони поєднали фізичну інформацію з аналізу Hi-C із секвенуванням ДНК, щоб ідентифікувати взаємодіючі ділянки ДНК і створити впорядковану карту геному мамонта, використовуючи геноми сучасних слонів як шаблон. Аналіз показав, що шерстисті мамонти мали 28 хромосом — стільки ж, скільки й у сучасних азіатських і африканських слонів. Примітно, що скам’янілі хромосоми мамонта також зберегли величезну фізичну цілісність і деталі, включаючи нанорозмірні петлі, які приводять фактори транскрипції в контакт з генами, якими вони керують.

Досліджуючи компартменталізацію генів у ядрі, дослідники змогли ідентифікувати активні та неактивні гени в клітинах шкіри мамонта — проксі для епігенетики чи транскриптоміки. Клітини шкіри мамонта мали чіткі моделі активації генів порівняно з клітинами шкіри його найближчого родича, азіатського слона, включно з генами, потенційно пов’язаними з його шерстистістю та холодостійкістю.

Наслідки для заходів із припинення вимирання

«Вперше ми маємо тканину шерстистого мамонта, для якої ми приблизно знаємо, які гени були ввімкнені, а які були вимкнені», — каже Марті-Реном. «Це надзвичайний новий тип даних, і це перше вимірювання клітинно-специфічної генної активності генів у будь-якому стародавньому зразку ДНК».

Хоча метод, використаний у цьому дослідженні, базується на незвичайно добре збережених скам’янілих, дослідники оптимістично налаштовані, що його можна використовувати для вивчення інших стародавніх зразків ДНК — від мамонтів до єгипетських мумій — а також нещодавно збережених музейних зразків.

Для мамонтів наступні кроки включатимуть дослідження епігенетичних моделей інших тканин. «Ці результати мають очевидні наслідки для сучасних зусиль, спрямованих на припинення вимирання шерстистого мамонта», — каже автор-кореспондент М. Томас Гілберт, палеогеномік з Університету Копенгагена та Норвезького університету науки і технологій.