科學家以驚人的方式首次以 3D 形式重建猛犸象染色體

一塊被困在永久凍土中52,000年的皮膚碎片剛剛給我們帶來了一個奇妙的世界第一。

由一頭毛茸茸的猛犸象留下（猛蕓香Primigenius的），這種材料不僅為我們提供了基因組，而且為我們提供了曾經(jīng)宏偉的動物染色體的三維重建。

“這是一種新型的化石，其規(guī)模使單個古代DNA片段相形見絀 - 一百萬倍的序列，”遺傳學家埃雷茲·利伯曼·艾登（Erez Lieberman Aiden）說美國貝勒醫(yī)學院。

“這也是第一次為古代樣本確定任何種類的核型。

最后的猛犸象死了大約4000年前，讓科學家們通過他們留下的痕跡將他們的歷史和生活拼湊在一起。由于它們適應了寒冷的環(huán)境，幸運的是，他們的許多遺骸都是在冰凍的地方發(fā)現(xiàn)的，這些地方充當天然冷凍室，保存了比原本可能發(fā)現(xiàn)的更多的遺傳物質。

2018年，西伯利亞苔原出土了一只雌性猛犸象的遺骸，這些遺骸保存得非常完好。這些標本不僅包括骨骼，還包括皮膚組織，一組研究人員認為這些組織可能比以前任何人發(fā)現(xiàn)的都保留了更多的野獸遺傳物質。

這是因為猛犸象似乎在死后不久就被凍干了，這一過程通過升華去除水分，同時冷凍剩余的東西，從而提高了保存效果。這種木乃伊制作過程使材料保持了類似玻璃的狀態(tài)——很脆，但相對完整，就像一塊毛茸茸的猛犸象肉干。

“我們已經(jīng)知道，古代DNA的微小片段可以存活很長時間。基因組學家馬塞拉·桑多瓦爾-貝拉斯科（Marcela Sandoval-Velasco）說哥本哈根大學的共同主要作者，該研究的共同主要作者。

“但我們在這里發(fā)現(xiàn)的是一個樣本，其中這些DNA片段的三維排列被凍結了數(shù)萬年，從而保留了整個染色體的結構。

這很重要，因為它為我們提供了更多的遺傳信息，而不僅僅是我們以前回收的零碎碎片。

生物體的整個基因組是由數(shù)十億個核苷酸堿基組成的序列，這些堿基配對形成許多長而扭曲的雙鏈DNA聚合物。這些線狀分子纏繞在自身上，形成稱為染色體的結構，使基因組能夠整齊地適應細胞核，同時保護其更精細的序列并促進表達。

每條染色體可以包含數(shù)億個堿基對，盡管即使在保存完好的殘骸中，染色體也會迅速分解成碎片，很少超過大約 100 個堿基對。

研究人員從猛犸象的耳朵后面取了一塊皮膚，并使用了一種名為Hi-C的幫助他們弄清楚拼圖的哪些部分在哪里。這是一項艱苦的工作，花了幾年時間，但最終該團隊能夠繪制出猛犸象的DNA圖譜，從而獲得一系列新的見解。

首先，他們能夠確定這頭毛茸茸的猛犸象有28對染色體——這是我們第一次能夠在很久以前滅絕的動物中計算出它們的數(shù)量。這個數(shù)字是有道理的，因為猛犸象的近親大象也有28對。

“通過將古代DNA分子與現(xiàn)代物種的DNA序列進行比較，可以發(fā)現(xiàn)遺傳密碼的單個字母發(fā)生變化的情況。遺傳學家和共同主要作者奧爾加·杜琴科（Olga Dudchenko）說貝勒醫(yī)學院和萊斯大學。

“化石染色體改變了游戲規(guī)則，因為了解生物體染色體的形狀可以組裝滅絕生物的整個DNA序列。這使得以前無法實現(xiàn)的洞察力成為可能。

這是因為活性和非活性基因往往在空間上被分離到細胞核的不同區(qū)域，這種現(xiàn)象被稱為染色體區(qū)室化.通過比較猛犸象和大象的區(qū)隔劃分，研究人員希望弄清楚為什么它們如此相似，但也如此不同。

“對我們來說，顯而易見的問題是：為什么它是'猛犸象'？為什么它不是'令人震驚的禿頭猛犸象'？遺傳學家托馬斯·吉爾伯特（Thomas Gilbert）說哥本哈根大學。

“這些化石中仍然保留了區(qū)隔化這一事實至關重要，因為它首次使得有可能看到哪些基因在毛茸茸的猛犸象中處于活躍狀態(tài)。事實證明，有一些關鍵基因可以調節(jié)毛囊的發(fā)育，其活動模式與大象完全不同。

這為研究猛犸象的生活——以及最終的消亡——開辟了一個全新的研究世界。盡管標本的保存很少見，但即使是一組染色體也將我們的知識擴展到一個新的領域。

該團隊的分析可用于開發(fā)方法，甚至對于降解程度更高的樣本也是如此。他們建議在來自不同環(huán)境的一系列樣本上進行測試，看看什么樣的結果可能就在那里等待被發(fā)現(xiàn)。

“古埃及祭司認為，木乃伊使人或動物準備好在來世復活，”他們在論文中寫道.“他們可能比人們意識到的更接近目標。

研究結果已發(fā)表在《細胞.

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