首次破解这种已灭绝物种的DNA结构

5万多年前，在西伯利亚的冰天雪地中，一头真猛犸象（Mammuthus primigenius）死去了。

5万年后的今天，在一项史无前例的世界首创研究中，一组国际团队从这头真猛犸象的皮肤中发现并分析了保存完好的古DNA片段，首次得以了解这个已灭绝物种的基因组结构，也就是细胞核中DNA的三维排列。

新研究从猛犸象皮肤中发现了保存完好的古DNA结构。（图/Sandoval-Velasco et al, Cell）

这项发现极大地增进了我们对这个已经消失的物种的了解，揭开了它在恶劣环境中生存的法宝，甚至有望发现它们最终灭绝的秘密。研究已发表在《细胞》上。

基因组结构

在生物体内，细胞内的DNA与一些蛋白质一起被“藏”在染色质中。在这里，长长的DNA分子被包装成更紧凑、更致密的形状，从而能被“打包”装入细胞核内。DNA分子的这种折叠及其在细胞核中的空间组织，就是所谓的基因组结构。

基因组结构影响着基因的开启或关闭方式，从而影响着从发育到疾病的方方面面。在现代物种中，科学家经常通过研究基因组结构来了解基因的调控以及细胞的运作。

大约40年前，科学家注意到，在一些历史久远的生物样本中，DNA碎片也有机会保留下来。许多古代遗骸中都包含DNA。一些古生物学家由此想到，如果将基因组结构的分析应用在这些古DNA上，就有机会揭示已灭绝物种的生物特征和环境历史。

但问题在于，对古基因组结构的研究格外具有挑战性，因为DNA很快就会降解，并受到化学损伤。先前人们只找到过一些不连贯的DNA片段，而想从这些片段中重建三维基因组更是几乎不可能的事情。研究人员曾尝试对许多古代生物标本进行测试，往往都以失败告终。

古DNA大多只有碎片。这些片段可能会在空间里自由扩散，抹去古染色体的三维形态（左）。如果是这样，基因组结构的检测就会失败。但如果扩散受到限制，这些特征可能会留存下来（右），并有可能进行检测。（图/Sandoval-Velasco et al, Cell）

在经过近10年的搜索后，西伯利亚天然的“生物冰箱”永久冻土层带来了一个与众不同的机会。研究人员发现，冻土中的真猛犸象样本尽管已经有5.2万年的历史，它的皮肤中却保存着非常完好染色质。

研究人员推测，这主要是因为真猛犸象在寒冷的环境中死后就会迅速结冻。在寒冷、干燥且稳定的条件下，它的组织发生了变化，以一种类似玻璃一样的状态被保存了下来。这种冷却和脱水的状态就像做了一份“真猛犸象肉冻干”一样，能使这些惊人的细节保持了数万年之久。在纳米尺度上，这就像是发生了一次大堵车，单个颗粒（这里指的是古DNA片段）被固定在一起，即使经过成千上万年也“动弹不得”。

冻土中发现的真猛犸象标本。（图/Love Dalén，Stockholm University）

为了证实这种推测，研究人员在实验室中对牛肉冻干进行了极端测试。结果发现，当牛肉冻干像玻璃一样碎裂时，其中的染色体依旧完好无损。这些玻璃状的DNA在室温下至少可以保持稳定一年，并能经受住各种“折腾”。

做一个直观的对比，通常情况下，DNA会随着时间的推移而降解，典型的古DNA片段很少超过100个碱基对。但这份真猛犸象的化石染色体样本中，则包含超过数亿个遗传字母。

熟悉的模式

研究人员采用了一种特殊的基因组分析技术，让它更适用于古生物样本，重建出真猛犸象染色体的三维结构。样本包含了非常多细节，不仅可以看到基因组中哪些基因被激活，还可以看到激活的原因。

他们发现，真猛犸象有28对染色体，这一点与它们的近亲——现代大象一样。此外，在比较真猛犸象和现存的亚洲象的基因组结构时，还发现了许多相似之处。比如，古染色体保留了一些与现代染色体相似的结构特征，包括小到50纳米的染色质环。

真猛犸象皮肤样本。（图/Love Dalén，Stockholm University）

但和大象不同的是，真猛犸象有几种适应寒冷环境的独特身体特征，包括厚厚的毛和向上弯曲的獠牙。它们还有相对比较小的耳朵，这些都能最大限度地降低热量散失。真猛犸象的皮下还有一层特殊的脂肪层用于隔热。这些适应性都帮助它们在冰期环境中茁壮成长。

这些在基因上大多有迹可循。与现代大象相比，真猛犸象的许多基因激活状态发生了改变。有425个基因在真猛犸象体内处于开启状态，而在大象体内却没有；相反，有395个基因在大象体内处于开启状态，而在真猛犸象体内则没有。

真猛犸象体内有关毛发生长和免疫反应的基因也表现出了明显不同的活动模式。比如，与现代大象不同，真猛犸象有一层厚厚的毛，这和一种叫作Egfr的基因有关，它有助于调节皮肤和毛发生长。在人体内，关闭这个基因会导致又长又浓密的睫毛和毛发过度生长。在现代大象体内，这个基因被开启了，但在真猛犸象体内它却“袖手旁观”了。

突破性的一步

对真猛犸象基因组结构的详细研究提供了一个了解过去的窗口。随着我们继续探索这些古老的基因蓝图，可能会发现这个已经灭绝的物种如何适应环境并繁衍生息的更多秘密。

研究人员还提到，这项发现可能会引发有关“复活真猛犸象”的讨论。不过，通过研究古DNA所获得的成果，实际上有助于保护现存物种。

#创作团队：

撰文：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://theconversation.com/world-first-study-decodes-the-dna-structure-of-a-52-000-year-old-woolly-mammoth-sample-232387

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00642-1

https://news.rice.edu/news/2024/researchers-discover-ancient-chromosomes-52000-year-old-woolly-mammoth

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02253-4

https://www.sciencenews.org/article/drying-woolly-mammoth-dna-3d-glass

#图片来源：

封面图&首图：Goodfon.com