Первая 3D-реконструкция хромосом шерстистого мамонта возрастом 52 000 лет благодаря случайной сублимационной сушке кожи

Международная группа исследователей собрала геном и трехмерные хромосомные структуры шерстистого мамонта возрастом 52 000 лет — впервые для любого образца древней ДНК.

Ископаемые хромосомы, которые примерно в миллион раз длиннее большинства древних фрагментов ДНК, дают представление о том, как геном мамонта был организован в его живых клетках и какие гены были активны в ткани кожи, из которой была извлечена ДНК.

Такой беспрецедентный уровень структурной детализации сохранился потому, что мамонт подвергся сублимационной сушке вскоре после смерти, что привело к сохранению его ДНК в стеклообразном состоянии. Результаты представлены 11 июля в журнале Cell.

«Это новый тип окаменелости, и его масштаб затмевает масштаб отдельных фрагментов древней ДНК — в миллион раз больше последовательности. Это также первый случай, когда для древнего образца был определен кариотип любого рода», — говорит автор-корреспондент Эрез Либерман Айден.

Знание трехмерной архитектуры генома дает много дополнительной информации помимо его последовательности, но большинство древних образцов ДНК состоят из очень маленьких, перемешанных фрагментов. Основываясь на работе по картированию 3D-структуры генома человека, Айден предположил, что если найти подходящий образец древней ДНК — с неповрежденной 3D-организацией фрагментов — можно будет использовать те же стратегии для сборки древних геномов.

Исследователи протестировали десятки образцов в течение пяти лет, прежде чем остановились на необычно хорошо сохранившемся шерстистом мамонте, раскопанном на северо-востоке Сибири в 2018 году.

«Мы считаем, что он спонтанно подвергся сублимационной сушке вскоре после смерти. Ядерная архитектура в обезвоженном образце может сохраняться невероятно долгое время», — говорит автор-корреспондент Ольга Дудченко.

Чтобы реконструировать геномную архитектуру мамонта, исследователи извлекли ДНК из образца кожи, взятого за ухом мамонта. Они использовали метод Hi-C, который позволяет обнаружить, какие участки ДНК, вероятно, находятся в тесном пространственном соседстве и взаимодействуют друг с другом в естественном состоянии в ядре.

«Представьте, что у вас есть пазл из трех миллиардов частей, но у вас нет изображения готовой картинки. Hi-C позволяет получить приблизительное представление об этой картине, прежде чем вы начнете собирать части пазла», — говорит автор-корреспондент Марк А. Марти-Реном.

Затем они объединили физическую информацию из анализа Hi-C с секвенированием ДНК, чтобы идентифицировать взаимодействующие участки ДНК и создать упорядоченную карту генома мамонта, используя геномы современных слонов в качестве шаблона.

Анализ показал, что у шерстистых мамонтов было 28 хромосом — столько же, сколько у современных азиатских и африканских слонов. Примечательно, что в ископаемых хромосомах мамонта также сохранилось огромное количество физической целостности и деталей, включая наномасштабные петли, которые сближают факторы транскрипции с контролируемыми ими генами.

Изучив компартментализацию генов внутри ядра, исследователи смогли идентифицировать гены, которые были активны и неактивны в клетках кожи мамонта — это аналог эпигенетики или транскриптомики. Клетки кожи мамонта имели отличные от клеток кожи его ближайшего родственника, азиатского слона, паттерны активации генов, включая гены, потенциально связанные с его шерстистостью и холодоустойчивостью.

«Впервые у нас есть ткань шерстистого мамонта, для которой мы примерно знаем, какие гены были включены, а какие выключены. Это необычный новый тип данных, и это первое измерение клеточно-специфической генной активности генов в любом образце древней ДНК», — говорит Марти-Реном.

Хотя метод, использованный в этом исследовании, зависит от необычно хорошо сохранившихся окаменелостей, исследователи оптимистично полагают, что его можно использовать для изучения других образцов древней ДНК — от мамонтов до египетских мумий, а также более недавних образцов, хранящихся в музеях.

Для мамонтов следующими шагами будет изучение эпигенетических паттернов других тканей.

«Эти результаты имеют очевидные последствия для современных усилий, направленных на возрождение шерстистого мамонта», — говорит автор-корреспондент М. Томас Гилберт.