Потрясающие 3D-хромосомы замороженных мамонтов могут помочь их воскресить
Фото из открытых источников
Первым признаком того, что Эрез Либерман Эйден и его команда нашли что-то особенное, стала прическа зверя ледникового периода. Шерстистые шкуры мамонта, которые замерзали, оттаивали и снова замерзали, как правило, лысеют. Но мамонт, погибший около 52 000 лет назад в Сибири, сохранил спутанную каштановую шерсть на большей части своего тела, что говорит о том, что она оставалась замороженной с тех пор, как животное умерло.
Чем ближе ученые всматривались, тем больше чудес они видели. Микроскоп показал волосяные фолликулы мамонта. Присмотревшись еще ближе, они увидели петли хроматина — ДНК и белков, из которых состоят хромосомы, — сохранившиеся в стеклообразном состоянии, в котором молекулы плотно упакованы.
Из этого изысканного куска кожи исследователи собрали геном мамонта и трехмерную архитектуру его хромосом. Структура очень похожа на структуру современных слонов и демонстрирует геном в действии, раскрывая подсказки о том, какие гены были активны в коже мамонта, как сообщают Эйден, директор Центра архитектуры генома в Медицинском колледже Бейлора (BCM), и его коллеги в новом выпуске Cell. «Это фантастический результат, который может стать настоящей вехой», — говорит Майкл Хофрейтер, эволюционный генетик из Потсдамского университета, который не принимал участия в исследовании.
Знание структуры генома мамонта может дать толчок спорным попыткам воскресить зверя. В более общем плане, говорит Хофрейтер, результаты могут «продвинуть исследования вымерших видов вперед в том направлении, в котором мы давно хотели». «Следующим крупным достижением в этой области станет новая химия, которая позволит раскрыть более глубокие окаменелости», возрастом более 1 миллиона лет, добавляет Хендрик Пойнар, эволюционный генетик из Университета Макмастера, который также не принимал участия в исследовании.
Хроматиновое стекло, или «хромостекло», как его называют исследователи, может образовываться в тканях, которые были высушены, как вяленое мясо, говорит соавтор Марк Марти-Реном, структурный генетик из Испанского национального центра геномного анализа (CNAG). «Мы считаем, что ключевым элементом здесь является обезвоживание», а не температура, говорит он. Такое высыхание могло произойти и в других останках в обширном хранилище мяса в вечной мерзлоте Сибири, а возможно, и в незамороженных останках, таких как египетские мумии.
Поиски давно потерянных хромосом начались десять лет назад, когда Эйден вместе с Ольгой Дудченко из BCM и Томом Гилбертом из Копенгагенского университета попытались применить к древней ДНК технику под названием Hi-C, которую Эйден помог разработать. Hi-C предлагает способ секвенирования геномов в 3D. При обычном секвенировании ДНК пространственная структура ДНК организма теряется. «Представьте, что у вас есть пазл из 3 миллиардов частей, но у вас нет изображения окончательной головоломки, с которой можно было бы работать», — говорит Марти-Реном. Hi-C химически соединяет части генома, которые естественным образом находятся в контакте, давая «приблизительное изображение этой картины, прежде чем вы начнете складывать части головоломки». Исследователи, способные видеть структуру ДНК в таком масштабе, могут собирать геномы, используя только данные Hi-C.
Команда приступила к модификации протокола Hi-C для древних образцов. Но «PaleoHi-C» сработал бы только в том случае, если бы хроматин сохранил свою трехмерную структуру. Команда исследовала многочисленные образцы тканей мамонта и музейных образцов — безрезультатно. «Это были годы и годы неудач», — говорит соавтор BCM Синтия Перес Эстрада.
Они наконец наткнулись на золото после того, как соавтор Лав Дален, эволюционный генетик из Центра палеогенетики в Стокгольме, поместил их на каштанового мамонта, которого российские ученые выкопали в Сибири в 2018 году. Команда также изучила образцы другого мамонта, который был провозглашен наиболее сохранившимся экземпляром из когда-либо существовавших: молодая самка по прозвищу Юка, найденная недалеко от моря Лаптевых в 2010 году местными юкагирами. Вместе два мамонта открыли «новый тип окаменелостей», который сохраняет трехмерную структуру и длинные цепочки ДНК, говорит Эйден: «Ископаемые хромосомы, которые охватывают в миллион раз больше последовательности, чем типичные древние фрагменты ДНК».
Результаты подтверждают, что у мамонтов, как и у современных слонов, было 28 хромосом. Геномы имеют «почти идентичную» структуру, говорит Гилберт. «Скучно для нас, но здорово для людей, возрождающих вымершие виды». Например, биотехнологическая фирма Colossal Biosciences планирует встроить основные гены мамонта в геном слона — задача, облегчаемая хромосомами целующихся кузенов — а затем использовать современных слонов в качестве суррогатных матерей для рождения существа, похожего на мамонта.
Более того, архитектура генома «рассказывает вам чертовски много о функции», говорит Эйден. «Мы можем выяснить, какие гены были активны, а какие неактивны». Это потому, что хромосомы разделены на разные районы для активных и неактивных генов — отсеки, которые все еще различимы спустя 52 000 лет. Команда Эйдена сделала вывод, что экспрессия генов, связанных с развитием волосяных фолликулов, была изменена в коже мамонта по сравнению с кожей слона.
Тем временем команда стремилась лучше понять условия, которые приводят к образованию хромостекла. Обычно после смерти молекулы хроматина распадаются и диффундируют через клеточную матрицу, как сахар растворяется в горячем кофе. «Наша гипотеза заключается в том, что когда такие ткани охлаждаются и обезвоживаются, может возникнуть молекулярная пробка, которая станет настолько серьезной, что диффузия почти полностью прекратится», — говорит Эйден. (Это состояние также защищает клетки от микробов, которые разрушают органический материал, говорит он.) Физики называют такой материал «стеклом». Чтобы проверить эту идею, команда взяла обезвоженную говяжью печень, хранила ее в течение года при комнатной температуре и подтвердила, что хромосомы сохранили свой первоначальный рисунок сворачивания. Они шутливо подтвердили его прочность, проехав по домашнему вяленому мясу машиной, погрузив его в кислоту, ударив по нему фастболом и выстрелив из дробовика. «В наномасштабе архитектура хромосом остается совершенно нетронутой», — говорит Эйден.
Однако такие молекулярные капсулы времени не были обнаружены в других древних образцах. Для воскрешения мамонтоподобного зверя могут потребоваться дополнительные образцы из тканей, отличных от кожи. «Экспрессия генов в других тканях — это большая неизвестность», — говорит соавтор CNAG[ck] Хуан Антонио Родригес.
Таким образом, говорит Хофрейтер, «главный вопрос» заключается в том, останется ли это исследование «анекдотическим любопытством, которое интересно, но с научной точки зрения является тупиком». Пойнар настроен оптимистично: он предсказывает, что по мере таяния вечной мерзлоты в Сибири «будет всплывать все больше останков, которые могут быть подвергнуты воздействию Hi-C». Для любителей мамонтов перспективы услышать рев этого величественного зверя ледникового периода стали немного ближе.