PaleoHi-C: как ученые «воскрешают» 3D-геномы вымерших животных

В ледяных просторах Сибири, под толщей вечной мерзлоты, скрываются не только окаменевшие останки вымерших гигантов, но и бесценные фрагменты их ДНК. Эти крошечные молекулы, словно запечатанные послания из далекого прошлого, хранят в себе информацию о жизни, эволюции и генетическом разнообразии давно исчезнувших существ. Ученые кропотливо извлекают и расшифровывают эти генетические реликвии, восстанавливая по крупицам историю жизни на Земле.

До недавнего времени считалось, что извлечь из древней ДНК можно лишь фрагментарную информацию о последовательности нуклеотидов, своеобразном генетическом алфавите. Сложная пространственная структура ДНК, ее трехмерная архитектура, казалась безвозвратно утраченной в процессе разложения. Но наука не стоит на месте.

В 2024 году в авторитетном научном журнале Cell была опубликована статья, которая перевернула представления о возможностях палеогенетики. Группа ученых из Медицинского колледжа Бэйлора в Хьюстоне под руководством Эреза Либермана Айдена разработала революционный метод, получивший название PaleoHi-C, и применила его к образцу кожи шерстистого мамонта, жившего 52 тысячи лет назад.

PaleoHi-C основан на методе Hi-C, который уже успешно используется для изучения пространственной организации ДНК в клетках современных организмов. В основе метода лежит химическая сшивка участков ДНК, расположенных рядом в трехмерном пространстве ядра клетки. Представьте себе клубок ниток, где разные участки нити сближаются и взаимодействуют друг с другом, образуя сложные петли и узлы. Так и ДНК, будучи длинной молекулой, складывается и сворачивается в ядре клетки, создавая уникальную пространственную архитектуру.

После сшивки ДНК разрезают на фрагменты, секвенируют и анализируют, выявляя пары фрагментов, которые были связаны. По этим данным можно восстановить не только последовательность нуклеотидов, но и пространственную организацию хромосом.

Ученые, работавшие с ДНК мамонта, столкнулись с рядом сложностей. Древняя ДНК, как правило, сильно фрагментирована, что делает анализ крайне трудоемким. Но, несмотря на все препятствия, применение PaleoHi-C к образцу кожи мамонта привело к поразительным результатам.

Во-первых, удалось выявить основные элементы пространственной организации хромосом мамонта, включая хромосомные территории, компартменты (участки с активными и неактивными генами) и петли. Эти петли, подобно невидимым мостам, сближают отдаленные участки ДНК, играя важную роль в регуляции активности генов. Во-вторых, сравнивая данные для мамонта с данными для современных слонов, исследователи смогли выявить различия в активности генов, отвечающих за рост волос, что, вероятно, связано с адаптацией мамонтов к холодному климату.

Еще одним открытием, которое привлекло внимание научного сообщества, стала необычная архитектура X-хромосомы мамонта. В отличие от двудольной структуры, характерной для X-хромосомы человека и мыши, у мамонта и современных слонов она оказалась четырехдольной. Это свидетельствует о том, что эволюция млекопитающих сопровождалась динамичными изменениями в организации хромосом, и PaleoHi-C может стать мощным инструментом для изучения этих изменений.

Возникает вопрос: как же удалось сохранить пространственную архитектуру ДНК на протяжении столь долгого времени? Ученые предполагают, что после смерти мамонта его ткани подверглись спонтанной сублимационной сушке, т. е. вода из них медленно испарилась в суровых условиях сибирской зимы. В результате ДНК перешла в стеклообразное состояние, в котором диффузия молекул практически прекращается, и структура сохраняется на протяжении тысячелетий.

Исследователи провели ряд экспериментов с современными тканями, которые подтвердили, что высушивание действительно способствует сохранению пространственной архитектуры ДНК.

Открытие «хромосом-призраков» — настоящий прорыв в палеогенетике. PaleoHi-C позволяет не только восстанавливать геномы вымерших животных, но и изучать их эпигенетику, т. е. то, как внешние факторы влияют на активность генов.