Mammutens DNA bevarat i 3D – ”kromoglasset” avslöjar det utdöda djurets genaktivitet

Beef jerky och ullhåriga mammutar har åtminstone en sak gemensamt: uttorkning förvandlar deras DNA till supertåligt glas.

Forskare undersöker huden från en ullhårig mammut som dog för 52 000 år sedan i Sibirien. Permafrost och frystorkning förvandlade DNA:t i djurets hudceller till en tålig 3D-struktur.

Detta glasartade DNA är så stabilt att det bevarade den tredimensionella strukturen hos kromosomerna i en ullhårig mammut i hela 52 000 år, rapporterar forskare i tidskriften Cell den 11 juli. Upptäckten gav forskarna en unik inblick i det utdöda djurets genetiska instruktionsbok, eller genom, och avslöjade till och med vilka gener som var på- och avslagna precis innan mammuten dog, berättar genforskaren och neuroforskaren Cynthia Pérez Estrada. Om man kan hitta välbevarade prover från andra mammutar, kan sådana glimtar av genaktivitet hjälpa forskare att förstå hur de utdöda djuren fungerade – inte bara hur de såg ut.

Den detaljerade kartläggningen av mammutgenomet möjliggjordes efter att forskarna listat ut hur man kan anpassa en teknik som kallas Hi-C, som undersöker den 3D-struktur DNA har när det packas in i en cells cellkärna.

– Jag har känt till Hi-C ett tag, men jag kunde aldrig komma på ett sätt att tillämpa den på forntida DNA, säger Christina Warinner, biomolekylär arkeolog vid Harvard University, som inte deltog i studien.

Det beror på att DNA bryts ner över tid. Det var svårt att föreställa sig att de pyttesmå bitarna av forntida DNA skulle kunna behålla kromosomernas form, säger Warinner. Och Hi-C kräver vanligtvis färska, intakta prover.

Inte ens Pérez Estradas kollegor, som arbetar med 3D-DNA-strukturer med henne på Baylor College of Medicine i Houston, var övertygade om att en sådan teknik kunde fungera på nedbrutna prover. Hon trodde att den kunde det, så hon testade Hi-C på kalkonben som blivit över efter Thanksgiving-middagen, på vävnad från en uttorkad trafikdöd mus hon hittade på väg till jobbet, och på en bit läder från sin väska.

– Alla de experimenten var fascinerande, för de visade faktiskt att DNA-strukturen är ganska motståndskraftig, säger Pérez Estrada. – Trots tillagningen, och trots solen och omgivningen när det gäller musen, fanns DNA-strukturen fortfarande kvar.

Men hon visste inte om strukturen kunde hålla i tusentals år. Så hon slog sig ihop med Marcela Sandoval-Velasco, som då var vid Köpenhamns universitet. Sandoval-Velasco hade arbetat med forntida DNA i flera år och var intresserad av att utforska dess 3D-strukturer. Hon tog med sig en påse full av underverk – museiexemplar av insekter, fiskar, reptiler, fåglar och andra djur – till Houston för testning, berättar Pérez Estrada. Och Pérez Estrada besökte Köpenhamn, där forskarna undersökte forntida isbjörnsskallar och en mumifierad varg.

Experimenten misslyckades ofta. Hi-C-metoden som används på färskare prover fungerade inte för forntida prover, så forskarna skapade en ny version som de döpte till PaleoHi-C.

– Så går forskning ofta till – långsamt, säger Sandoval-Velasco, som nu är vid National Autonomous University of Mexico i Cuernavaca. – Det är en iterativ process. Den är full av misslyckanden, och det handlar om att inte ge upp. Lagarbete hjälper också, säger hon. Över 50 forskare med olika expertområden samarbetade kring studien.

Efter år av delvisa framgångar och motgångar fick teamet tillgång till hud från huvudet av en ullhårig mammut som dog i Sibirien för cirka 52 000 år sedan. Mammuten hade frystorkats och bevarats i permafrost.

Snabbtorkning hade låst det forntida DNA:t i ett tätt molekylärt tillstånd som liknar glas, så kallat kromoglas. Genetikerna och ett team teoretiska fysiker kom fram till att kromoglasstrukturen förhindrade DNA-bitarna från att driva ifrån varandra.

I okonventionella experiment med hemmagjord beef jerky fann teamet att sådant glasartat DNA kan förbli stabilt i minst ett år i rumstemperatur och stå emot diverse påfrestningar som att bli mikrovågsugat, överkört av en bil, träffat av en snabb boll och beskjutet med hagelgevär.

Mammutens glasartade DNA låste fast dess kromosomer på plats. För första gången kunde forskarna räkna antalet kromosomer som mammuten hade: 56, eller 28 par, precis som elefanter, berättade Baylor-genetikern Erez Lieberman Aiden den 2 juli under en presskonferens. Mammutar hade också samma grundläggande kromosomstruktur som elefanter.

Kromosomer som packats in i cellkärnan liknar ett härva garn efter att en katt har lekt med det. Det tilltrasslade utseendet döljer en noggrant orkestrerad inre struktur.

Gener som är påslagna flyttas till ett fack inuti cellen, som dansare som intar dansgolvet, medan gener som är avstängda förvisas till ett annat fack – de blir väggblommor. Genom att undersöka facken i hudceller fann forskarna 425 gener som var aktiva hos mammutar men inte hos elefanter, och 395 gener som var aktiva hos elefanter men inte hos mammutar.

Ta EGFR, en gen som hjälper till att reglera hud- och hårväxt. Genen var aktiv hos elefanter men en väggblomma hos mammutar. Hos människor leder avstängning av genen till långa, tjocka ögonfransar och kraftig hårväxt. Detta tyder på att hålla genen borta från dansgolvet kan ha hjälpt mammutar att växa sina lurviga pälsar.

Teamet undersökte DNA:t från en andra mammut, som dödades av en sabeltandad tiger för cirka 39 000 år sedan och begravdes av mänskliga jägare, förmodligen för att bevara köttet. Jägarna kom aldrig tillbaka för sitt byte, berättade Aiden, men forskarna upptäckte att även den mammuten hade kromoglas, som bevarat öglor, fack och andra 3D-strukturer i DNA:t. Snabb torkning genom frysning eller höga temperaturer i torra förhållanden skulle kunna producera liknande DNA-glas hos andra naturligt eller konstgjort skapade mumier, föreslår teamet.

Warinner förutspår att "många forskare kommer att läsa detta och börja fundera: 'Kan vi tillämpa PaleoHi-C på våra egna frågor? Skulle detta kunna lösa frågor eller problem som vi har fastnat för under lång tid?'"

Det kommer att finnas en inlärningskurva för att tillämpa en teknik som forskare som studerar forntida DNA inte ens visste att de kunde använda, säger Warinner. Studien "öppnar många nya dörrar inom fältet, i en riktning som vi helt enkelt inte har tittat åt förut."

Ny potatis frodas i värmeböljor

När en brännande värmebölja drog in över Illinois i juni 2022 hoppades växtfysiologen Katherine Meacham-Hensold att hennes teams nya biotekniskt förädlade potatissort skulle överleva – men hon häpnade över hur väl den frodades. Plantan gav 30 procent fler av sina stora röda knölar än en vanlig, oförädlad planta under samma förhållanden, enligt en färsk studie i Global Change Biology. ... Read more

Kommentarer:

Inga kommentarer. Var först