科学家在5.2万年前的猛犸象化石身上发现非同寻常的古代染色体

现在，一项突破使我们有可能组装已灭绝物种的基因组。一个由贝勒医学院、哥本哈根大学、国家基因分析中心和基因组调控中心的科学家组成的研究小组，在一头死亡于5.2万年前的长毛猛犸象的遗骸中发现了古染色体化石。这些化石保存了纳米级（十亿分之一米）的古染色体结构。这一发现登上了《细胞》杂志的封面。

哥本哈根大学进化全息组学中心的马塞拉-桑多瓦尔-维拉斯科博士是这项新研究的共同第一作者，她说："我们已经知道，古代DNA的微小片段可以存活很长时间。但我们在这里发现的是一个样本，这些DNA片段的三维排列被冻结在原地长达数十上千年，从而保留了整个染色体的结构。"

染色体化石是研究地球生命历史的强大新工具。这是因为典型的古DNA片段很少长于100个碱基对，或遗传密码的100个字母--远远小于生物体的完整DNA序列，而后者通常长达数十亿个字母。相比之下，化石染色体的长度可达数亿个遗传字母。

贝勒医学院基因组结构中心分子和人类遗传学助理教授、莱斯大学理论生物物理中心高级研究员奥尔加-杜德琴科博士说："通过比较古代DNA分子和现代物种的DNA序列，可以发现遗传密码的单个字母发生变化的情况。化石染色体改变了游戏规则，因为了解了生物体染色体的形状，就有可能组合已灭绝生物的整个DNA序列。这样就能获得以前不可能获得的洞察力。"

由于染色体化石来自长毛象，研究小组首先要做的一件事就是确定长毛象拥有的染色体数目。这项研究的共同第一作者、哥本哈根大学和西班牙巴塞罗那国家基因分析中心的研究员胡安-安东尼奥-罗德里格斯博士说："我们发现它们有28对染色体，这很有意义，因为现代大象也有28对染色体，而它们是长毛猛犸象的近亲。能够首次计算一种已灭绝生物的染色体是一件非常令人兴奋的事情。通常情况下，从1数到28是不可能这么有趣的。"

通过研究来自猛犸象皮肤的染色体化石，可以看出哪些基因是活跃的。这是因为一种叫做染色体区隔的现象--活跃和不活跃的DNA往往在细胞核内分隔成两个空间邻域。对于大多数基因来说，其活性状态与研究人员在现代大象皮肤上看到的一致。但并非总是如此。

"对我们来说，一个显而易见的问题是：为什么它是'长毛猛犸象'？为什么不是'令人震惊的秃毛猛犸象'？"全息组学中心主任、论文共同通讯作者托马斯-吉尔伯特博士说。"这些化石中仍然保存着分隔结构，这一点至关重要，因为这使得我们有可能首次研究长毛猛犸象体内哪些基因处于活跃状态。结果发现，有一些调控毛囊发育的关键基因的活动模式与大象完全不同"。

研究人员从这些古老染色体的形状中看到的不仅仅是分隔。事实上，这些染色体与现代染色体有许多共同的结构特征。这些特征中最引人注目的也是最微小的：染色质环，贝勒研究小组仅在10年前首次在人类中绘制了这种小至50纳米的结构。

这项研究的共同通讯作者、位于西班牙巴塞罗那的国家基因分析中心（Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica）和基因组调控中心（Centre for Genomic Regulation）的小组组长马克-马蒂-雷诺姆（Marc A. Marti-Renom）研究教授说："这些古老染色体中环状结构的存活也许是最令人印象深刻的部分。DNA环只有50纳米大小，却非常重要，因为它们能使激活DNA序列接近基因靶标。因此，这些化石不仅向我们展示了哪些基因是活跃的--它们还向我们展示了原因"。

然而，研究人员仍有一个困惑：古代染色体的 DNA 片段怎么可能存活 52000 年，而且其三维结构完好无损？毕竟，1905 年--阿尔伯特-爱因斯坦的"奇迹年"--他发表了一篇经典论文，计算了小颗粒（如 DNA 片段）在物质中移动的速度。杜德琴科说："爱因斯坦的研究对染色体化石做出了一个非常简单的预测：在一般情况下，它们不应该存在。然而：它们就在这里。这是一个物理学之谜！"

为了解释这种明显的矛盾，研究人员意识到染色体化石处于一种非常特殊的状态，与玻璃中的分子状态非常相似。该研究的共同通讯作者、基因组结构中心主任、贝勒医学院教授埃雷兹-利伯曼-艾登博士说："染色体玻璃很像窗户上的玻璃：它很坚硬，但并不是有序的晶体。如果放大观察单个颗粒，那么一块玻璃或一块色玻璃基本上就是一个没有车道标记的世界，一个从保险杠到保险杠的纳米级交通堵塞。在这种情况下，单个粒子或单个古 DNA 片段根本无法移动太远。即使你等上几千几万年也是如此。"

2018 年在西伯利亚永久冻土层中出土的猛犸象遗骸是以类似玻璃的状态保存的，这种想法并不牵强。许多文明在没有意识到的情况下，开发出了在食物中诱导"玻璃转化"的方法，作为保存食物的一种方式，通常是通过冷却和脱水相结合的方式。这就产生了像玉米片和牛肉干这样的食物，它们比原来的食物更脆，但保存时间更长。这就是为什么玻璃化转变成为现代食品科学家的一个重要概念。从根本上说，研究人员发现染色体化石被困在一块冻干的长毛象牛肉干里。

这项研究的共同第一作者、基因组结构中心和莱斯大学理论生物物理中心的研究员辛西娅-佩雷斯-埃斯特拉达博士解释说："我们在陈旧的冻干牛肉干上做实验，证实了这一理论，这种牛肉干比长毛象牛肉干更容易找到。我们向它开了一枪。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速球。每一次，牛肉干都会碎成细小的碎片--就像玻璃一样碎裂。但在纳米尺度上，染色体完好无损，没有任何变化。这就是这些化石能够存活下来的原因。这就是5.2万年后它们还在那里 等待我们发现的原因。"

编译自/ScitechDaily