科学家重建猛犸象三维染色体
猛犸象。
本报讯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ErezLiebermanAiden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OlgaDudchenko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.ThomasGilbert说:“这些结果对复活猛犸象有明显的帮助。”(晋楠)
相关论文信息:
http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.06.002