科學(xué)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(gè)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(dòng)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(gè)古代DNA片段相形見絀 - 一百萬倍的序列，”遺傳學(xué)家埃雷茲·利伯曼·艾登（Erez Lieberman Aiden）說美國貝勒醫(yī)學(xué)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(xué)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(yīng)了寒冷的環(huán)境，幸運(yùn)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(dāng)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(zhì)。

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(biāo)本不僅包括骨骼，還包括皮膚組織，一組研究人員認(rèn)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(zhì)。

這是因?yàn)槊歪锵笏坪踉谒篮蟛痪镁捅粌龈闪?，這一過程通過升華去除水分，同時(shí)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(shí)間。基因組學(xué)家馬塞拉·桑多瓦爾-貝拉斯科（Marcela Sandoval-Velasco）說哥本哈根大學(xué)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(gè)樣本，其中這些DNA片段的三維排列被凍結(jié)了數(shù)萬年，從而保留了整個(gè)染色體的結(jié)構(gòu)。

這很重要，因?yàn)樗鼮槲覀兲峁┝烁嗟倪z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(gè)基因組是由數(shù)十億個(gè)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(jié)構(gòu)，使基因組能夠整齊地適應(yīng)細(xì)胞核，同時(shí)保護(hù)其更精細(xì)的序列并促進(jìn)表達(dá)。

每條染色體可以包含數(shù)億個(gè)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(gè)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(xiàng)艱苦的工作，花了幾年時(shí)間，但最終該團(tuán)隊(duì)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(dòng)物中計(jì)算出它們的數(shù)量。這個(gè)數(shù)字是有道理的，因?yàn)槊歪锵蟮慕H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(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)遺傳密碼的單個(gè)字母發(fā)生變化的情況。遺傳學(xué)家和共同主要作者奧爾加·杜琴科（Olga Dudchenko）說貝勒醫(yī)學(xué)院和萊斯大學(xué)。

“化石染色體改變了游戲規(guī)則，因?yàn)榱私馍矬w染色體的形狀可以組裝滅絕生物的整個(gè)DNA序列。這使得以前無法實(shí)現(xiàn)的洞察力成為可能。

這是因?yàn)榛钚院头腔钚曰蛲诳臻g上被分離到細(xì)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?nèi)绱讼嗨疲踩绱瞬煌?/p>

“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(xué)家托馬斯·吉爾伯特（Thomas Gilbert）說哥本哈根大學(xué)。

“這些化石中仍然保留了區(qū)隔化這一事實(shí)至關(guān)重要，因?yàn)樗状问沟糜锌赡芸吹侥男┗蛟诿兹椎拿歪锵笾刑幱诨钴S狀態(tài)。事實(shí)證明，有一些關(guān)鍵基因可以調(diào)節(jié)毛囊的發(fā)育，其活動(dòng)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(gè)全新的研究世界。盡管標(biāo)本的保存很少見，但即使是一組染色體也將我們的知識擴(kuò)展到一個(gè)新的領(lǐng)域。

該團(tuán)隊(duì)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(jìn)行測試，看看什么樣的結(jié)果可能就在那里等待被發(fā)現(xiàn)。

“古埃及祭司認(rèn)為，木乃伊使人或動(dòng)物準(zhǔn)備好在來世復(fù)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(biāo)。

研究結(jié)果已發(fā)表在《細(xì)胞.

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