猛犸象“肉干”保存了 52,000 年前的化石染色体

虽然我们可能不会在短期内看到以激素为生的巨型猛犸象在地球上行走，但我们对这种已灭绝哺乳动物的基因组有了更多的了解。一个国际科学家小组在一只猛犸象保存完好的皮肤上发现了古老的染色体。这种动物大约死于 52,000 年前，化石以纳米级（或精确到十亿分之一米）保存了这些古老生命基石的结构。7 月 11 日发表在《细胞》杂志上的一项研究中详细介绍了这一发现，并展示了染色体如何帮助科学家重新组装已灭绝物种的基因组。

“我们已经知道，古代 DNA 的微小片段可以存活很长时间，”研究合著者、哥本哈根大学进化全基因组学中心古基因组学家马塞拉·桑多瓦尔-贝拉斯科 (Marcela Sandoval-Velasco) 在一份声明中表示。“但我们在这里发现的样本中，这些 DNA 片段的三维排列被冻结了数万年，从而保留了整个染色体的结构。”

52000 年前的遗传物质

像这样的化石染色体为科学家研究地球上生命的历史提供了新方法。通常，古代 DNA 片段的长度不超过 100 个碱基对，或 100 个遗传密码字母。大象（猛犸象的近亲）的完整 DNA 序列通常约为 32 亿个碱基对，长度为数十亿个字母。这些更常见的 DNA 片段只是它们遗传密码的一小部分。然而，化石染色体可以跨越数亿个遗传密码字母。

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“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，”研究合著者、贝勒医学院基因组学家 Olga Dudchenko 在一份声明中表示。“化石染色体是改变游戏规则的关键，因为了解生物体染色体的形状使得组装灭绝生物的整个 DNA 序列成为可能。这使得我们能够获得以前不可能获得的见解。”

由于这些化石染色体来自猛犸象，因此第一步就是尝试确定该动物活着时所拥有的染色体数量。

“我们发现它们有 28 对染色体，这很有道理，因为现代大象就有 28 对染色体，而且它们是猛犸象现存的近亲，”这项研究的共同作者、哥本哈根大学和巴塞罗那国家基因组分析中心的基因组学家胡安·安东尼奥·罗德里格斯 (Juan Antonio Rodríguez) 在一份声明中说。“能够首次计数一种灭绝生物的染色体非常令人兴奋。通常情况下，简单地从 1 数到 28 不会有这么大的乐趣。”

大型哺乳动物，微小颗粒

研究团队从 2018 年发现的一头猛犸象的皮肤中提取了化石染色体。通过这种染色体，他们可以通过一种称为染色体区室化的现象看到哪些基因是活跃的。在这种情况下，活跃和非活跃的 DNA 往往会分裂成细胞核内的两个空间区域。对于大多数猛犸象基因来说，其活动状态与研究人员在现代大象身上看到的一致。然而，情况并非总是如此。

“这些化石中仍保留着这种区域划分，这一点至关重要，因为这使得我们首次能够看到哪些基因在猛犸象中活跃，”这项研究的合著者、进化全息基因组学中心主任托马斯·吉尔伯特在一份声明中说。“而且我们发现，有一些调节毛囊发育的关键基因，它们的活动模式与大象完全不同。”

当研究小组观察染色体内部时，他们发现的不仅仅是染色体区室化。这些染色体与现代染色体有几个共同的结构特征。最引人注目的共同特征恰好是最小的染色质环。这些结构小到 50 纳米，大约相当于病毒的大小。

“这些古老染色体中环状结构的存活或许是最令人印象深刻的部分，”研究合著者、西班牙基因组调控中心的基因组学家马克·A·马蒂-雷诺姆 (Marc A. Marti-Renom) 在一份声明中表示。“DNA 环状结构只有 50 纳米大小，它们非常重要，因为它们将激活的 DNA 序列带到靠近其基因靶标的位置。因此，这些化石不仅向我们展示了哪些基因是活跃的，还向我们展示了为什么。”

冻干猛犸象肉干

然而，一个谜题仍然存在。古代染色体的DNA片段如何能够存活超过5万年，并且其三维结构完好无损？研究小组发现，染色体化石看起来类似于玻璃中的分子状态——一种被称为铬玻璃的特殊状态。

“铬玻璃很像窗户上的玻璃：它很坚硬，但不是有序晶体，”这项研究的共同作者、基因组结构中心主任兼贝勒医学院教授埃雷兹·利伯曼·艾登在一份声明中说。“如果你放大单个粒子，一块玻璃——或者一块铬玻璃——基本上就是一个没有车道标记的世界里的一条条保险杠对一条保险杠的纳米级交通堵塞。在这种情况下，单个粒子或古代 DNA 的单个片段根本无法移动太远。即使你等待数千年。”

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随着时间的推移，许多文明都开发出在食物中引发“玻璃化转变”以保存食物的方法。通常是通过冷却和脱水的混合来产生牛肉干之类的食物。它们比原始食物更脆，但可以保存更长时间。研究人员发现，染色体化石基本上被困在一块冻干的猛犸象肉干里。

“我们通过对旧的冻干牛肉干进行实验证实了这一理论，这种牛肉干比猛犸象肉干更容易找到，”研究合著者、贝勒大学基因组学家辛西娅·佩雷斯·埃斯特拉达在一份声明中说道。“我们用猎枪射击它。我们用汽车碾过它。我们让休斯顿太空人队的前先发投手向它投掷快球。每次，牛肉干都会碎成小块——像玻璃​​一样破碎。但在纳米尺度上，染色体是完整的，没有变化。这就是这些化石能够保存下来的原因。这就是它们在那里的原因，52,000 年后，只是等待我们发现它们。”