一个国际研究小组整理了52,000年前猛犸象的基因组和3D染色体结构——这是首次在古代DNA样本中取得如此成就。

这些化石染色体比大多数古代DNA片段长约一百万倍，它们为了解猛犸象基因组在其活细胞内的组织方式以及哪些基因在提取DNA的皮肤组织中活跃提供了帮助。

这种前所未有的结构细节之所以能保留下来，是因为猛犸象死后不久就进行了冷冻干燥，这意味着它的DNA以玻璃状的状态保存下来。研究结果于7月11日发表在《细胞》杂志上。

“这是一种新型化石，其规模远超单个古代DNA片段——序列多出一百万倍，”通讯作者、贝勒医学院基因组结构中心主任埃雷兹·利伯曼·艾登(ErezLiebermanAiden)说道。“这也是首次对古代样本进行任何类型的核型测定。”

了解基因组的三维结构除了序列之外，还能提供很多其他信息，但大多数古代DNA样本都是由非常小的、杂乱的DNA片段组成的。在绘制人类基因组三维结构图的基础上，艾登认为，如果能找到正确的古代DNA样本——片段的三维结构仍然完整——就有可能使用相同的策略来组装古代基因组。

研究人员在五年的时间里测试了数十个样本，最终在2018年于西伯利亚东北部出土的一具保存异常完好的猛犸象化石中找到。

“我们认为它在死亡后不久就自发地冻干了，”贝勒医学院基因组结构中心的通讯作者奥尔加·杜琴科(OlgaDudchenko)说。“脱水样本中的细胞核结构可以存活很长时间。”

为了重建猛犸象的基因组结构，研究人员从猛犸象耳后皮肤样本中提取了DNA。他们使用了一种名为Hi-C的方法，这种方法可以检测出哪些DNA片段可能在空间上非常接近，并且在细胞核的自然状态下相互作用。

“想象一下，你有一个由30亿块组成的拼图，但你却没有最终拼图的图像来作为参考，”通讯作者MarcA.Marti-Renom说道，他是ICREA的研究教授，也是巴塞罗那国家基因组分析中心(CNAG)和基因组调控中心(CRG)的结构基因组学家。

“在开始将拼图碎片拼凑在一起之前，Hi-C可以让你知道图片的大概情况。”

然后，他们将来自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，并以当今大象的基因组为模板，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，与现今的亚洲象和非洲象的染色体数量相同。值得注意的是，化石中的猛犸象染色体还保留了大量的物理完整性和细节，包括将转录因子与其控制的基因联系起来的纳米级环路。

通过检查细胞核内基因的区室划分，研究人员能够识别猛犸象皮肤细胞中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，包括可能与其毛茸茸和耐寒性相关的基因。

“这是我们第一次大致了解猛犸象组织中哪些基因被激活，哪些基因被关闭，”Marti-Renom说。“这是一种非凡的新型数据，也是首次测量古代DNA样本中细胞特异性基因活性的方法。”

尽管本研究中使用的方法取决于保存完好的化石，但研究人员乐观地认为它可以用于研究其他古代DNA标本——从猛犸象到埃及木乃伊——以及最近保存的博物馆标本。

对于猛犸象，下一步将包括检查其他组织的表观遗传模式。“这些结果对当代旨在复活猛犸象灭绝物种的努力有着明显的意义，”通讯作者M.ThomasGilbert说，他是哥本哈根大学和挪威科技大学的古基因组学家。