Его трехмерная структура раскрывает новые подробности о том, как функционировал этот вымерший вид.
Что общего между вяленой говядиной и некоторыми шерстистыми мамонтами? При сушке их ДНК превращается в сверхпрочное стекло.
ДНК в таком виде чрезвычайно стабильна. На самом деле, ученые уже нашли такую стекловидную ДНК шерстистого мамонта, которая сохраняла свою трехмерную форму в течение 52 000 лет. Команда поделилась своим открытием 11 июля в журнале Cell.
Это открытие позволяет впервые взглянуть на генетическую инструкцию шерстистых мамонтов. В нем даже показано, какие гены — фрагменты ДНК, связанные с различными признаками, — были активны или бездействовали до того, как мамонт умер.
Подобные образцы могут больше рассказать о том, как функционировали эти и другие вымершие существа.
ДНК — это молекула, содержащая гены. Каждой клетке животного для выполнения своей работы необходимы инструкции, содержащиеся в этих генах. Внутри ядра каждой клетки длинные фрагменты ДНК собраны в пучки, называемые хромосомами. Чтобы втиснуть метры (футы) ДНК в пространство, настолько маленькое, что вам понадобится микроскоп, чтобы увидеть его, клеткам приходится скручивать ее. И наматывать. И сворачивать. И делать петли.
Из-за этого хромосомы выглядят беспорядочно. Но не позволяйте путанице ввести вас в заблуждение. ДНК внутри хромосом организована в очень четкие структуры. Эти структуры определяют, как работают гены ДНК и, в свою очередь, как функционирует вся форма жизни.
Визуализируем этот учебный материал
Ученые могут изучить трехмерную структуру ДНК внутри клеточного ядра, используя метод, называемый Hi-C. Это похоже на химическую заморозку. Ученые используют химические вещества, чтобы заморозить ДНК на месте. Затем они исследуют ее, чтобы увидеть, какие фрагменты ДНК соприкасаются друг с другом. Это говорит им о том, как ДНК скручивается в клетке.
Для Hi-C обычно требуются свежие, неповрежденные образцы. До сих пор никто не применял его к древней ДНК. Это потому, что ДНК со временем разрушается.
Поэтому было трудно представить, что крошечные фрагменты древней ДНК могут сохранять форму хромосом, — говорит Кристина Уориннер. Она не участвовала в новом исследовании. Но она изучает древние остатки молекул жизни в Гарвардском университете в Кембридже, штат Массачусетс.
Синтия Перес Эстрада изучает генетический материал в медицинском колледже Бейлора. Это в Хьюстоне, штат Техас. Она подумала, что Hi-C может работать с разрушенной ДНК. Поэтому она протестировала Hi-C на всех типах старых образцов тканей. Кости индейки, оставшиеся после ужина в честь Дня благодарения. Высушенная мышь-убийца, которую она нашла по дороге на работу. Кусок кожи из ее сумки.
“Все эти эксперименты были захватывающими”, — говорит она. “Это на самом деле показало, что структура ДНК довольно устойчива… несмотря на приготовление пищи, а также на солнце и окружающую среду (если говорить о мышах). Структура ДНК сохранилась”.
Изучение древней ДНК
Даже после всех проведенных тестов Перес Эстрада не знала, сможет ли структура ДНК сохраняться в течение тысяч лет. Поэтому она объединилась с Марселой Сандовал-Веласко. Эта исследовательница работала с древней ДНК и стремилась исследовать ее трехмерные структуры. В настоящее время она работает в Национальном автономном университете Мексики в Куэрнаваке.
По словам Переса Эстрады, Сандовал-Веласко привез в Хьюстон “целую сумку чудес” для тестирования. Среди этих чудес были музейные образцы муравьев, пчел, рыб, рептилий и птиц. Перес Эстрада также посетил Данию, где Сандовал-Веласко в то время работал в Копенгагенском университете. Там исследователи исследовали черепа древних белых медведей и мумифицированного волка.
Эксперименты часто заканчивались неудачей. Метод Hi-C, использованный на свежих образцах, не сработал на древних. Поэтому пришлось изобрести новую версию. Команда назвала его PaleoHi-C.
Подобные обходные пути распространены в исследованиях, говорит Сандовал-Веласко. Наука “полна неудач, и главное — не сдаваться”. Командная работа тоже помогает, говорит она. Более 50 ученых с разным опытом собрались вместе для проведения исследования mammoth.
После нескольких лет частичных успехов и неудач команда исследователей получила доступ к коже с головы шерстистого мамонта. Это животное погибло в Сибири около 52 000 лет назад. Его ткани были подвергнуты естественной сублимационной сушке, а затем сохранены в слое мерзлой почвы, называемой вечной мерзлотой.
Быстрая сушка привела ДНК мамонта в плотное молекулярное состояние, похожее на стекло. Это “хромостекло” удерживало фрагменты древней ДНК от расслаивания.
Используя вяленую говядину лабораторного производства, команда ученых проверила, как долго такая стекловидная ДНК может оставаться стабильной при комнатной температуре. Они обнаружили, что он может храниться не менее года. Его также можно разогреть в микроволновой печи, переехать машиной и расстрелять из дробовика.
Поразительные детали ДНК мамонта
Стекловидная ДНК мамонта фиксирует хромосомы на своих местах. Это означало, что исследователи впервые смогли подсчитать, сколько хромосом у мамонта. Ответ: 28 пар — столько же, сколько у слонов. У мамонтов такая же базовая структура хромосом, как и у слонов.
Хромогласс также показал, какие участки ДНК, или гены, в хромосомах мамонта были включены или выключены.
Когда ген включен, он предоставляет инструкции клетке для выполнения определенных функций. Когда он выключен, он не предоставляет этих инструкций.
Пояснитель: Что такое гены?
Форма ДНК важна для определения того, будет ли ген включен или выключен. Внутри ядра клетки есть разные области, где гены включаются и выключаются. Представьте это как большую многолюдную вечеринку. Некоторые гены будут задействованы на танцполе. Они будут включены. Другие гены будут стоять у стены. Эти желтофиоли выключены.
Исследователи обнаружили 425 генов, которые были включены у мамонтов, но не у слонов.
Они обнаружили, что у слонов активировано 395 генов, но не у мамонтов. В их число входил ген под названием Egfr. Он помогает контролировать рост кожи и волос. У слонов этот ген был активен. Но у мамонтов он был незаметен. У людей отключение этого гена приводит к появлению длинных и густых ресниц и чрезмерному росту волос. Это указывает на то, что отсутствие этого гена на танцполе, возможно, помогло мамонтам отрастить длинную и лохматую шерсть.
Команда ученых также изучила ДНК второго мамонта. Эта мумия была убита саблезубым тигром около 39 000 лет назад. В ее останках также было хромовое стекло, которое сохранило трехмерные структуры ДНК. При быстрой сушке путем замораживания или высокой температуры может образоваться аналогичное ДНК-стекло в других природных или искусственных мумиях.
По словам Уориннера, эта работа может вдохновить других ученых использовать ПалеоХи-С для получения новых представлений о своих собственных образцах древней ДНК. “Я думаю, это действительно захватывающе”. На самом деле, добавляет она, это “открывает множество новых дверей в этой области — [и] в направлении, в которое мы просто не заглядывали раньше”.
