ДНК мамонта сохранилась в 3D: «хромостекло» раскрывает активность генов вымершего животного.

ДНК мамонта сохранилась в 3D: «хромостекло» раскрывает активность генов вымершего животного.

Учёные исследуют кожу шерстистого мамонта, погибшего 52 000 лет назад в Сибири. Вечная мерзлота и сублимационная сушка превратили ДНК в клетках кожи животного в прочную трёхмерную структуру.

У вяленой говядины и шерстистых мамонтов есть как минимум одна общая черта: высыхание превращает их ДНК в сверхпрочное стекло.

Это стекловидное ДНК настолько стабильно, что сохранило трёхмерную структуру хромосом одного шерстистого мамонта на протяжении 52 000 лет, сообщают исследователи в выпуске журнала Cell от 11 июля 2024 года. Открытие дало учёным беспрецедентную возможность заглянуть в генетическую «инструкцию» вымершего животного — его геном — и даже показало, какие гены были активны, а какие «молчали» незадолго до смерти мамонта, рассказывает геномик и нейробиолог Синтия Перес Эстрада. Если удастся найти хорошо сохранившиеся образцы других мамонтов, такие проблески генной активности помогут понять, как эти вымершие животные функционировали, а не только как они выглядели.

Детальное исследование генома мамонта стало возможным после того, как учёные придумали, как адаптировать метод Hi-C, который изучает трёхмерную укладку ДНК в клеточном ядре.

«Я знаю о Hi-C уже довольно давно. Просто никогда не могла представить, как применить его к древней ДНК», — признаётся Кристина Уориннер, биомолекулярный археолог из Гарвардского университета, не участвовавшая в исследовании.

Всё дело в том, что ДНК со временем разрушается. Трудно было вообразить, что крошечные фрагменты древней ДНК способны сохранить форму хромосом, говорит Уориннер. К тому же Hi-C обычно требует свежих, неповреждённых образцов.

Даже коллеги Перес Эстрады, вместе с ней изучающие трёхмерную структуру ДНК в Медицинском колледже Бейлора в Хьюстоне, не верили, что такой метод сработает на деградировавших образцах. Она же думала иначе и испытала Hi-C на индюшачьих костях, оставшихся после ужина в День благодарения, на тканях высохшей мыши, сбитой машиной и найденной по дороге на работу, и на кусочке кожи из своей сумки.

«Все эти эксперименты были потрясающими, потому что они наглядно показали: структура ДНК весьма устойчива, — говорит Перес Эстрада. — Несмотря на готовку, солнце и внешнюю среду, как в случае с мышью, структура ДНК сохранилась».

Но она не знала, выдержит ли эта структура испытание тысячелетиями. Поэтому она объединилась с Марселой Сандоваль-Веласко, работавшей тогда в Копенгагенском университете. Сандоваль-Веласко много лет занималась древней ДНК и хотела изучить её пространственную организацию. Она привезла в Хьюстон целую сумку чудес — музейные образцы насекомых, рыб, рептилий, птиц и других животных, рассказывает Перес Эстрада. А сама Перес Эстрада посетила Копенгаген, где исследователи изучали черепа древних белых медведей и мумифицированного волка.

Эксперименты часто проваливались. Метод Hi-C, работавший на более свежих образцах, не годился для древних, поэтому учёные создали новую версию, названную PaleoHi-C.

Именно так обычно и продвигается наука — медленно, говорит Сандоваль-Веласко, работающая теперь в Национальном автономном университете Мексики в Куэрнаваке. «Это итеративный процесс. Он полон неудач, и главное — не сдаваться». Командная работа тоже важна, добавляет она. Более 50 учёных из разных областей объединились ради этого исследования.

После многих лет частичных успехов и неудач команда получила доступ к коже с головы шерстистого мамонта, погибшего в Сибири около 52 000 лет назад. Мамонт оказался высушен морозом и погребён в вечной мерзлоте.

Быстрое высыхание заперло древнюю ДНК в плотном молекулярном состоянии, похожем на стекло, которое назвали хромостеклом. Генетики и команда физиков-теоретиков пришли к выводу, что структура хромостекла не дала фрагментам ДНК разойтись друг от друга.

В необычных экспериментах с приготовленной в лаборатории вяленой говядиной команда обнаружила, что такое стекловидное ДНК остаётся стабильным как минимум год при комнатной температуре и выдерживает самые разные издевательства: микроволновку, наезд автомобиля, удар бейсбольным мячом на скорости и выстрел из дробовика.

У мамонта стекловидное ДНК зафиксировало хромосомы на своих местах. Впервые исследователи смогли сосчитать число хромосом мамонта: 56, или 28 пар — ровно столько же, сколько у современных слонов, сообщил 2 июля на пресс-конференции генетик из Бейлора Эрез Либерман Айден. Хромосомы мамонта имели ту же базовую структуру, что и у слонов.

Упакованные в ядро хромосомы напоминают моток пряжи, с которым поиграла кошка. За этим хаотичным видом скрывается тщательно организованная внутренняя архитектура.

Активные гены перемещаются в один отсек ядра, словно танцоры на танцпол, а «выключенные» гены остаются в другом отсеке, подобно скромным гостям у стены. Изучив эти отсеки в клетках кожи, исследователи обнаружили 425 генов, которые работали у мамонтов, но «молчали» у слонов, и 395 генов, активных у слонов, но не у мамонтов.

Взять, к примеру, ген EGFR, регулирующий рост кожи и шерсти. У слонов этот ген был активен, а у мамонтов оставался «у стены». У людей отключение этого гена приводит к росту длинных, густых ресниц и чрезмерному оволосению. Это наводит на мысль, что отстранение гена от «танцев», возможно, помогло мамонтам отрастить их косматые шубы.

Команда исследовала ДНК и второго мамонта, убитого саблезубым тигром около 39 000 лет назад и закопанного древними охотниками — вероятно, чтобы сохранить мясо. Охотники так и не вернулись за своей добычей, рассказал Айден, зато учёные обнаружили, что у этого мамонта тоже образовалось хромостекло, сохранившее петли, отсеки и другие трёхмерные структуры ДНК. Быстрое высыхание от заморозки или от высоких температур в засушливых условиях могло создать подобное ДНК-стекло и у других природных или рукотворных мумий, предполагают авторы.

Уориннер предсказывает, что «многие учёные, прочитав это, начнут думать: „А можем ли мы применить PaleoHi-C к своим задачам? Поможет ли это решить вопросы или проблемы, на которых мы застряли надолго?“»

Потребуется время, чтобы освоить метод, о возможности использования которого исследователи древней ДНК раньше даже не подозревали, отмечает Уориннер. Это исследование «открывает множество новых дверей в области, в направлении, куда мы просто не заглядывали раньше».

Источник: Тина Хесман Сэй, Science News, 2024. Vol.206 #3

Предыдущая статья:
Средний вес млекопитающих в России.