复活猛犸象更进一步！Cell封面论文：从52000年前猛犸象样本中重建三维染色体结构

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来源：生物世界

作者：王聪 

猛犸象，是陆地上生存过的最大的哺乳动物，其中体型最大的草原猛犸象体重可达12吨，是现在亚洲象的3倍。在气候寒冷的更新世（大约公元前180万年至公元前1万年），猛犸象曾在亚欧大陆北部广泛分布，在2万多年前，据估亚欧大陆一度拥有大约2亿只猛犸象。然而，在距今约1万年前，因为气候变化以及人类捕杀等原因，猛犸象快速灭绝，大约5000年前，猛犸象彻底灭绝，这也标志着冰河世纪的结束。

大约52000年前，在西伯利亚冰冻苔原上，一头长毛猛犸象走到了生命的尽头，它的尸体被永久冻土层相对完好地保存了下来。而现在，科学家们在这个猛犸象的皮肤样本中发现了以原始三维结构保存下来的染色体——这在古DNA研究中被认为是不可能完成的壮举。该研究还揭示了猛犸象DNA分子的空间组织及其皮肤中的活跃基因，包括使猛犸象拥有毛茸茸外表的基因——Edaradd和Egfr。

这项研究成果于2024年7月11日发表在了国际顶尖学术期刊 Cell 上【1】，论文题为：Three-dimensional genome architecture persists in a 52,000-year-old woolly mammoth skin sample。论文作者来自哥本哈根大学、贝勒医学院、莱斯大学及西班牙国家基因组分析中心等机构。

这项前所未有的研究首次报告了古基因组的3D结构，由于基因组的空间结构包含其基因活性的线索，了解这种结构可能比单独解析DNA序列更能深入了解猛犸象皮肤的细胞生物学。

大约40年前，科学家们发现，古代的样本中仍然保存有DNA片段，例如数千年前的埃及木乃伊。此后，在许多古代遗迹中，科学家们检测到了古DNA的存在。

然而，DNA会随着时间的推移而逐渐降解并遭受化学损伤，所以之前科学家们获得的古DNA只是缺乏连贯结构的DNA片段。用这些片段来重建一个三维基因组几乎是不可能的，因为哺乳动物的完整基因组是典型的古DNA片段大小的3000万倍。 而一条完整的染色体的长度大约是大多数古DNA片段的100万倍。

由于普遍认为DNA的三维结构会随时间的流逝而消失，所以此前没有人尝试研究古代细胞的细胞核中的染色体组织。 而贝勒医学院的 Erez Lieberman Aiden 等人决定挑战这一难题，他们进行了长达9年的寻找保存完好的古代生物样本的工作，最终，他们在从西伯利亚永久冻土层出土的一只52000年前死亡的长毛猛犸象（Mammuthus primigenius）的皮肤样本中发现了近乎完整的染色体。

保存完好的猛犸象样本

时间过去了50000多年，为何这个猛犸象的染色体依然能够保存完整呢？研究团队提出，这个猛犸象的染色体在西伯利亚永久冻土层中经过脱水过程被保存为一种玻璃样状态，导致组织中的DNA分子密集排列且无法移动，就像制作牛肉干的过程一样，该团队对冻干牛肉干进行的实验（包括用枪射击和用车碾压等极端测试）证实了他们理论：冻干的牛肉干即使玻璃一样破碎，但它的染色体保持完整。 

接下来，研究团队分析了猛犸象染色体的结构，揭示了DNA分子的折叠及其在细胞核中的空间组织，这两个特征对于确定哪些基因被激活以及激活多久至关重要。

与现代大象（猛犸象现存的近亲）的比较不仅显示出二者在染色体数量和结构上的相似性，还显示出与毛发生长和寒冷适应相关基因活性的差异。 

具体来说，研究团队使用PaleoHi-C来绘制染色质接触图谱并组装其基因组，产生了28个染色体长度的支架。染色体区域、区室、环、巴尔小体和失活的X染色体超结构得以保留。猛犸象皮肤中的活跃和不活跃基因组区室与亚洲象皮肤的相似度高于其他大象。

研究团队认为，这头猛犸象死后不久在西伯利亚的寒冷环境中自然冻干，导致了组织的玻璃化转变，从而在纳米尺度上保存了古染色体的亚化石。

该分析还揭示了新的生物学现象，区室化的差异揭示了在猛犸象与大象中，其转录可能发生改变的基因。猛犸象失活的X染色体具有四分体结构，不像人类和小鼠那样是二分体结构。

这一发现也提示我们，只要条件理想，恢复古DNA的潜力超出了我们此前的认知。

2019年，乔治·丘奇（George Church）等人创立了一家名为Colossal Biosciences的生物技术公司，该公司致力于将CRISPR技术应用于物种恢复、极度濒危物种保护及关键生态系统重建，其中就包括复活猛犸象。

猛犸象与亚洲象的基因组相差约140万个碱基序列，对应着大约1600多个蛋白质编码基因，乔治·丘奇认为，可能只需要编辑其中数十个基因，就可能解决猛犸象胚胎在代孕亚洲象体内的发育问题。他还表示，公司的目标是制造出能在零下数十度下生存的“大象”，它的外表和行为都要像猛犸象。

随着在西伯利亚永久冻土层发掘到保存较为完好的猛犸象遗体，复活猛犸象的梦想似乎不再遥不可及。Colossal公司的生物科学负责人 Eriona Hysolli 表示，这项发表于 Cell 的论文中使用的方法还可以帮助研究人员组装出完整的猛犸象基因组，完整的猛犸象基因组有助于帮助公司实现复活猛犸象并将它们重新引入其自然栖息地的计划。

Colosal公司计划将猛犸象细胞核移植到其近亲亚洲象的细胞中，创造出亚洲象-猛犸象杂合胚胎，然后通过雌性亚洲象代孕或使用人造子宫，产下猛犸象。

值得一提的是，Colossal公司的研究人员于2023年3月在预印本平台 bioRxiv 发表论文【2】，成功重编程了大象（亚洲象）诱导多能干细胞（iPSC），将大象的成熟皮肤细胞重编程为胚胎状态，这项研究是实现其复活猛犸象项目的重要里程碑。

论文链接：

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

2. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.05.583606v1

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