5.2万年前猛犸象三维染色体结构首次重建

2024-07-16

<article><section data-type=“rtext”>【今日视点】 ◎本报记者张梦然 提起冰川时代，许多人脑海中会浮现出猛犸象身披长毛、踏步而来的图画。在距今大约480万至1万年前的时期，猛犸象是最具代表性的生物之一。但随着气候变暖，加上生长速度缓慢、没有足够食物以及人类和猛兽追杀等因素，猛犸象数量开始迅速减少，幼象成活率极低，最终绝灭。 猛犸象以自己整个种群的灭亡，宣告了一个冰川时代的结束。 现在，一个国际研究小组成功重构了一头生活在5.2万年前的猛犸象基因组和三维染色体结构，这是首次利用古代DNA样本开展此类研究。该研究揭示了猛犸象基因组在细胞内的组织方式，以及特定基因在皮肤组织中的表达情况。相关成果登上新一期《细胞》杂志封面。 这项前所未有的研究意味着：人们复活灭绝生物，或许不再是梦。 “冻干”的染色体化石很珍贵 大多数古DNA标本，都是由非常小且“乱七八糟”的DNA片段组成。美国贝勒医学院基因组结构中心主任艾里兹·利伯曼·艾登认为，在绘制人类基因组三维结构的基础上，如果能找到正确的古DNA样本，即三维结构仍然完好的样本，就有可能使用同样的策略组装古代基因组。 研究团队在大约5年的时间里测试了数十个样本，但进展依然缓慢。 直到2018年，俄罗斯西伯利亚东北部出土了一头保存异常完好的猛犸象。这头猛犸象在死后不久就被“冻干”了。由于脱水样品中的细胞核结构可以长时间保持，这种条件使DNA以类似玻璃的状态被保存下来，避免了以往古DNA样本的降解问题，也让今天的人们能够看到前所未有的结构细节。 “猛犸象染色体化石的长度是普通古DNA片段的数百万倍，代表了一种全新的化石类型。”艾登说。 这头猛犸象在等待人们找到它。团队异常兴奋，因为这次可以深入了解猛犸象的基因组在其活细胞内是如何组织的，以及哪些基因在提取DNA的皮肤组织中是活跃的。不过，“组装”依然是个难题。 30亿碎片的拼图需组装 “想象一下，你有一个由30亿个碎片组成的拼图，但却没有最终拼好后的样子。”西班牙巴塞罗那国家基因学中心和基因组调控中心结构基因组学家马丁-雷诺姆说，幸好“Hi-C技术可以让你在把拼图拼凑在一起之前，有一个近似的图像”。Hi-C是团队为了重建猛犸象的基因组结构而使用的特殊方法。他们从猛犸象耳朵后面采集的皮肤样本中提取了DNA。Hi-C技术使他们能够检测DNA的哪些部分可能在空间上非常接近，并在细胞核中的自然状态下相互作用。 然后，他们将Hi-C分析的物理信息与DNA测序相结合，以识别相互作用的DNA片段，并使用当今大象的基因组作为模板，创建猛犸象基因组的有序图谱。分析显示，猛犸象有28条染色体，与今天的亚洲和非洲大象相同。 通过检查细胞核内基因的区室化，团队能够识别出猛犸象皮肤细胞内活跃和不活跃的基因——这是表观遗传学或转录组学的代表。猛犸象的皮肤细胞与其近亲亚洲象的皮肤细胞相比，具有不同的基因激活模式，这可能包括与其体毛和耐寒性相关的基因。 染色体化石带来无限可能 这项研究中使用的方法，其实取决于保存异常完好的化石——该化石所保留的古代染色体结构，已精确到了纳米级！但研究团队乐观地认为，这一方法也可用来研究其他古代DNA标本，从猛犸象到埃及木乃伊，也包括博物馆标本。 染色体化石无疑成为研究地球生命史的有力新工具。这是因为典型的古代DNA片段很少超过100个碱基对，或遗传密码的100个“字母”——这远远小于生物体的完整DNA序列（通常有数十亿个“字母”长度）。相比之下，染色体化石则可以跨越数亿个遗传“字母”。 “染色体化石改变了游戏规则”，美国贝勒医学院基因组结构中心分子和人类遗传学助教奥尔伽·杜德琴科表示，因为“通过将古代DNA分子与现代物种的DNA序列进行比较，有可能发现遗传密码中单个‘字母’发生变化的情况”。 换句话说，通过了解生物体染色体的形状，科学家可以组装出灭绝生物的整个DNA序列，实现以前不可能实现的想法。 但就目前而言，复活猛犸象，还只是一个开端。</section></article>