Прорыв в секвенировании ДНК мамонта открывает новые горизонты в палеогеномике
Исследователи Стефан Шустер и Уэбб Миллер из Университета штата Пенсильвания, используя технологии нового поколения, совершили прорыв в изучении древней ДНК, секвенировав значительную часть генома шерстистого мамонта.
Новая технология — новый подход
В 2005 году Шустер, переехав из Германии в Пенсильванию, сделал стратегическую ставку на новую технологию секвенирования от компании 454 Life Sciences. В отличие от традиционного метода Сэнгера, машина GS20 использовала массово-параллельное секвенирование (sequencing by synthesis), что резко удешевляло процесс, хотя и давало короткие фрагменты прочтения (около 100 пар оснований против 800 у Сэнгера). Именно эта особенность оказалась ключевой для работы с деградировавшей древней ДНК.
Преодоление барьеров древней ДНК
Изучение древней ДНК всегда сталкивалось с двумя проблемами:
- Генетический материал со временем распадается на короткие фрагменты.
- Образцы сильно загрязнены ДНК бактерий и других организмов.
Ранее с помощью метода Сэнгера лишь ~2% секвенированной из древней кости ДНК принадлежало самому животному. Шустер предположил, что короткие фрагменты, получаемые от 454, идеально подходят для такой "генетической мозаики".
Первые успехи и открытие "музеомики"
В декабре 2005 года в журнале Science была опубликована первая совместная работа Шустера и биоинформатика Уэбба Миллера. Им удалось секвенировать 13 миллионов пар оснований из челюсти мамонта возрастом 28 000 лет. Ключевым достижением стало то, что 50% полученных данных были ДНК мамонта, а не загрязнителя — беспрецедентно высокий показатель.
В 2007 году, сотрудничая с Томом Гилбертом, они совершили второе открытие: идеальным источником древней ДНК является волос. Кератин в стержне волоса действует как "биологический пластик", защищая ДНК. Образцы можно легко очистить шампунем и бытовым отбеливателем. Команда секвенировала полную митохондриальную ДНК (мтДНК) 10 мамонтов по волосам, включая экспонат мамонта Адамса, хранившийся 200 лет при комнатной температуре. Это положило начало новому направлению — "музеомике", позволяющему изучать образцы из музейных коллекций по всему миру.
Секвенирование ядерного генома
В ноябре 2008 года в журнале Nature Шустер и Миллер опубликовали сенсационные результаты: используя волосы двух мумифицированных мамонтов, они секвенировали свыше 4 миллиардов пар оснований. Сравнение с геномом африканского слона подтвердило, что 3.3 миллиарда из них — ДНК мамонта. Это покрывало 50–70% всего генома мамонта — набор данных, в 100 раз более обширный, чем для любого другого вымершего вида.
Научные выводы из генома:
- Мамонты разделились на две генетически различные субпопуляции около 2 миллионов лет назад.
- Одна группа вымерла ~45 000 лет назад, другая — в конце последнего ледникового периода (~10 000 лет назад).
- Геномы мамонта и современного слона совпадают более чем на 99%.
Дискуссия о "воскрешении" и реальные цели
Заявление Шустера о том, что расшифровка генома теоретически открывает путь к возвращению мамонта, вызвало медийный ажиотаж ("Парк Юрского периода"). Технически это возможно двумя путями:
- Внести ~400 000 мутаций в геном слона, создав "омамонченного слона".
- Синтезировать хромосомы мамонта с нуля (как это уже сделал Крейг Вентер для бактерии).
Однако сами ученые видят главную ценность работы не в этом. Их цель — биология вымирания.
Понимание вымирания и спасение видов
Исследование генома мамонта уже опровергло гипотезу об истреблении людьми 45 000 лет назад (в Сибири не было охотников). Низкое генетическое разнообразие могло сделать вид уязвимым.
Теперь команда применяет свои методы к тасманийскому тигру (тилацину), вымершему 7 сентября 1936 года. Изучая 700 известных образцов, можно "в реальном времени" наблюдать генетические изменения в популяции накануне вымирания.
Эти данные критически важны для спасения современных видов, например, тасманийского дьявола, который вымирает из-за заразного рака лица. Низкое генетическое разнообразие (инбридинг) подавляет иммунный ответ. Секвенирование и последующее контролируемое скрещивание устойчивых особей могут помочь создать новую здоровую популяцию.
"Мы надеемся, что тасманийский дьявол станет первым случаем, когда геномные технологии будут использованы для спасения исчезающего вида", — говорит Шустер.
Изучение прошлых вымираний — ключ к защите будущего биоразнообразия и, возможно, человечества. "Что дает нам уверенность, что мы не можем вымереть?" — задается вопросом Шустер. — "Расшифровывая биологическую историю последних 10 000 лет, мы можем найти в палеонтологической летописи послание, очень важное для нашего будущего".