Найдены остекленевшие древние хромосомы, которые позволят собрать геномы вымерших видов

Сайт Наука в Сибири 11 июля 2024 г.
Сайт Российской академии наук 12 июля 2024 г.
Сайт телеканала Наука 12 июля 2024 г.
Научно-информационный портал Поиск 13 июля 2024 г.
Сайт Сибирского отделения РАН 14 июля 2024 г.
Газета Наука в Сибири №28 (3440) от 18 июля 2024 г.

Из кожи найденного в Якутии шерстистого мамонта возрастом 52000 лет впервые удалось извлечь остекленевшие древние хромосомы. Они намного крупнее известных ранее типов древней ДНК и сохраняют информацию о том, какие гены были активны. Как предполагают ученые, в дальнейшем это поможет собрать геномы вымерших видов. Хромосомы сохранились благодаря холодному и сухому климату Якутии, в котором естественным образом произошел процесс, аналогичный созданию вяленой говядины. Статья об этом исследовании опубликована в самом высокорейтинговом биологическом журнале Cell.

В 2018 году в Якутии была обнаружена хорошо сохранившаяся туша мамонта. Рядом с находкой оказался профессор Центра палеогенетики Стокгольмского университета Лав Дален, ему удалось взять кусочек мягких тканей со лба найденного животного. Дальнейшие исследования показали, что мамонту 52 тысячи лет. Лав Дален назвал его в честь английского футболиста Крисом Уоддлом — прически мамонта и футболиста были уж очень похожи. Однако в научном мире имя не прижилось, и животное стали величать “Тот самый мамонт”. Тот самый мамонт помог ученым сделать открытие, которое предоставляет невероятные перспективы для изучения древних организмов.

“Незадолго до того, как разразилась эпидемия коронавируса, появился метод Hi-C — его изобрел американский ученый Эрез Либерман Эйден. Этот метод основан на изучении конформации ДНК, то есть ее расположения в ядре. Гомологичные участки генома находятся близко друг от друга, негомологичные — далеко. Кроме того, когда геном функционирует, внутри ядра могут появляться всевозможные вторичные и третичные структуры, например петли. Hi-C позволяет узнать, сколько и каких хромосом содержится в ядре, и одновременно прочитать их, то есть он совмещает цитологические методы и секвенирование. Доцент Центра геномной архитектуры колледжа Бэйлор доктор медицинских наук Ольга Дудченко придумала сделать с помощью Hi-C зоопарк ДНК всех возможных живых организмов. Филиал такого зоопарка появился и у нас — в Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН. Нам удалось накопить гигантское количество культур клеток, идеально подходящих для Hi-C, а совмещение его с нашими цитологическими методами дает поразительные результаты в плане изучения геномов”, — рассказывает заведующий лабораторией цитогенетики животных Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН член-корреспондент РАН Александр Сергеевич Графодатский.

Зная, что крошечные фрагменты древней ДНК могут сохраняться в течение долгого времени, международная группа ученых под руководством медицинского колледжа Бейлора, Копенгагенского университета и Национального центра анатомии и регуляции генома решила попробовать исследовать с помощью Hi-C хромосомы мамонтов. Тот самый мамонт смог их удивить — в образце его кожи вплоть до миллиардных долей метра сохранилась структура древних, замороженных на десятки тысячелетий, хромосом. 

“Ископаемые хромосомы — новый мощный инструмент для изучения истории жизни на Земле. Длина типичных фрагментов древней ДНК редко превышает 100 пар оснований, или 100 букв генетического кода, что намного меньше, чем полная последовательность ДНК организма, которая часто состоит из миллиардов букв. Напротив, ископаемые хромосомы могут содержать сотни миллионов генетических букв”, — отмечается в пресс-релизе Cell. 

“Ископаемые хромосомы меняют правила игры, потому что знание формы хромосом организма дает возможность собрать всю последовательность ДНК вымерших существ. Это позволяет получить информацию, которая была бы невозможна раньше”, — рассказывает Ольга Дудченко.

Hi-C позволил показал, что у шерстистого мамонта было 28 пар хромосом. Это еще раз доказало, что его ближайшими родственниками из ныне живущих организмов являются современные индийские слоны. Кроме того, именно этот метод, способный отличить когда-то активные гены от неактивных, помог выяснить, что Тот самый мамонт был шерстистым. “Оказалось, что у шерстистого мамонта существуют ключевые гены, регулирующие развитие волосяных фолликулов, схема активности которых совершенно иная, чем у слонов”, — говорит директор Центра гологеномики при Датском национальном исследовательском фонде Томас Гилберт.

Активность генов в древней ДНК помогло выявить и то, что в хромосомах мамонта сохранились петли хроматина, структуры размером 50 нм, которые были открыты всего десять лет назад. Эти петли приближают активирующие последовательности ДНК к их генным мишеням.

Пожалуй, главный вопрос, который волновал исследователей: как могли фрагменты ДНК древних хромосом сохраниться в течение 52000 лет и при этом не растерять свою трехмерную структуру? Удалось выяснить, что окаменелости хромосом находились в совершенно особом состоянии, очень напоминающем положение молекул в стекле. “Хромостекло во многом похоже на стекло в вашем окне: оно жесткое, но это не упорядоченный кристалл. Если вы увеличите изображение отдельных частиц, то увидите, что они просто не смогут продвинуться далеко в такой ситуации, даже если вы будете ждать тысячи и тысячи лет”, — отмечает директор Центра геномной архитектуры и профессор медицинского колледжа Бейлора доктор Эрез Либерман Эйден.

Сами того не осознавая, многие цивилизации разработали способы стеклования продуктов питания для их сохранения, обычно путем сочетания охлаждения и обезвоживания. Именно так были созданы чипсы тортилья и вяленая говядина. С телом Того самого мамонта, похоже, такие трансформации произошли естественным образом — благодаря сухому и очень холодному якутскому климату. 

Свое предположение ученые, конечно же, проверили, правда не на мамонте, а на старом вяленом мясе сублимированной сушки. “Мы выстрелили в него из дробовика. Мы переехали его машиной. Бывший питчер “Хьюстон Астрос”, выступавший в стартовом составе, бросил в него мяч. Каждый раз вяленое мясо разлеталось на мелкие кусочки, разбиваясь, как стекло, но хромосомы были целыми и неизменными. Вот почему эти окаменелости сохранились. Вот почему они были там 52 тысячи лет спустя и просто ждали, когда мы их найдем”, — рассказывает научный сотрудник Центра геномной архитектуры и Центра теоретической биологии Университета Райса доктор Синтия Перес Эстрада.

Огромный вклад в эти исследования внесли российские ученые. Группа из четырех сотрудников Музея мамонта (Якутия) под началом руководителя отдела изучения мамонтовой фауны доктора биологических наук Альберта Васильевич Протопопова находила в архивах и предоставляла для исследования всё новые и новые материалы мамонтовой фауны. Кстати, в этой работе принял участие и знаменитый мамонтенок Юка, но его хромосомы оказались менее сохранны.

Команда гистологов из лаборатории морфологии и функции клеточных структур ФИЦ “Институт цитологии и генетики СО РАН”, возглавляемая доктором биологических наук Николаем Борисовичем Рубцовым, описывала гистологическую структуру тех мест, откуда были получены ядра клеток. 

Ученые лаборатории цитогенетики животных Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН извлекали ДНК образцов, выполняли для многих из них Hi-C, выделяли и изучали внутренние структуры хромосом. Сотрудники лаборатории сделали огромную трудоемкую работу, вручную исследовав цитологию несколько сотен образцов тканей мамонтов и слонов. Исследованию помогло то, что в ИМКБ собрана большая коллекция клеток афротерий — особой ветви плацентарных млекопитающих, к которой относятся все слоны.

“Мы хотим попробовать поискать такие же остекленевшие клетки в других замороженных организмах. В Якутии в этом плане богатство неизмеримое: там есть и копытные, например знаменитая ленская лошадь, которая непонятно как соотносится с нашими лошадьми, и хищники — замороженные львята, и множество других животных. Кроме того, интересно выяснить, почему остекленевшие хромосомы в разных частях организма сохраняются по-разному”, — рассказывает Александр Графодатский.

В то же время он признается, что такого мощного открытия уже не будет — ведь в этом исследовании сохранность остекленевших хромосом в ископаемых организмах была показана впервые. “Кто знает, может, будут другие открытия? Вдруг появится метод, позволяющий извлекать хромосомы из костей? Сейчас это невозможно, но сохранение хромосом в ископаемых организмах тоже считалось невозможным, поэтому я уже ничему не удивлюсь”, — улыбается Александр Сергеевич.

Диана Хомякова

PDF-файл статьи