Cell封面：古代染色体化石

科学家们发现了古代染色体的化石。这些遗骸是在52000年前的长毛象的皮肤中发现的。化石染色体比以前已知的古代DNA类型要大得多。他们的发现使组装灭绝物种的基因组成为可能。化石染色体还保留了哪些基因是活跃的信息。它们被认为是通过类似于牛肉干产生的物理过程形成的。

　　

研究摘要：

科学家们发现了古代染色体的化石
遗骸是在52000年前的长毛象的皮肤中发现的
化石染色体比以前已知的古代DNA类型大得多
他们的发现使组装灭绝物种的基因组成为可能
化石染色体还保留了哪些基因是活跃的信息
它们被认为是通过类似于牛肉干产生的物理过程形成的

由贝勒医学院，哥本哈根大学，国家中心'Anàlisi Genòmica和基因组调控中心的科学家领导的一个团队报告在52,000年前死亡的猛犸象遗骸中发现了古代染色体化石。这些化石将古代染色体的结构保存到了纳米尺度——十亿分之一米。这一发现登上了《细胞》杂志的封面。

哥本哈根大学进化全息基因组学中心的Marcela Sandoval-Velasco博士是这项新研究的第一作者之一，他说:“我们已经知道，古代DNA的微小片段可以存活很长一段时间。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了数万年，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史的有力工具。这是因为典型的古代DNA片段很少超过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，后者通常有数十亿个字母长。相比之下，化石染色体可以跨越数亿个遗传字母。

“通过比较古代DNA分子和现代物种的DNA序列，有可能找到遗传密码中单个字母发生变化的情况，化石染色体是游戏规则的改变者，因为了解生物体染色体的形状使组装灭绝生物的整个DNA序列成为可能。这使得以前不可能实现的见解成为可能。”

由于化石染色体来自猛犸象，研究小组做的第一件事就是确定长毛象拥有的染色体数量。“我们发现它们有28对染色体，这很有意义，因为这就是现代大象的染色体，它们是长毛象最近的近亲，第一次能够对一种已灭绝生物的染色体进行计数是非常令人兴奋的。通常，仅仅从1数到28是不可能有这么多乐趣的。”Juan Antonio Rodríguez说。

通过检查从猛犸象皮肤中提取的染色体化石，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化的现象，即活跃的和不活跃的DNA倾向于在细胞核内分离成两个空间区域。对于大多数基因来说，这种活动状态与研究人员在现代大象皮肤上看到的情况相符。但并非总是如此。

“对我们来说，一个显而易见的问题是:为什么它是一头‘长毛象’?”为什么它不是一只“秃顶的猛犸象”? 这些化石中仍然保存着这种区隔现象，这一事实至关重要，因为它使我们第一次有可能看到长毛象中哪些基因是活跃的。事实证明，有一些关键基因调节毛囊的发育，其活动模式与大象完全不同。”

研究人员看到的不仅仅是这些古老染色体形状的区隔化。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，这种结构小至50纳米，贝勒团队仅在10年前首次在人类中绘制了这种结构。

ICREA研究教授Marc A. Marti-Renom说:“这些古老染色体中的环的存活可能是最令人印象深刻的部分。只有50纳米大小的DNA环很重要，因为它们使激活的DNA序列接近它们的基因目标。所以，这些化石不仅向我们展示了哪些基因是活跃的，还告诉了我们为什么活跃。”

然而，研究人员留下了一个难题:古代染色体的DNA片段如何可能在其三维结构完好无损的情况下存活5.2万年?毕竟，在1905年——他的“奇迹年”——阿尔伯特·爱因斯坦发表了一篇经典论文，计算了像DNA片段这样的小粒子在物质中移动的速度。“爱因斯坦的工作对染色体化石做了一个非常简单的预测:在一般情况下，它们不应该存在，可是，它们就在这儿。这是一个物理谜!”

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。“铬玻璃很像你窗户上的玻璃:它是刚性的，但它不是有序的晶体，如果你放大单个颗粒，一块玻璃——或者一块彩色玻璃——基本上是一个没有车道标志的世界里，保险杠到保险杠的纳米级交通堵塞。在这种情况下，单个粒子或古代DNA的单个片段无法移动得很远。即使你要等上几千几千年。”

2018年在西伯利亚永久冻土中出土的猛犸象遗骸被保存在玻璃状状态的想法并不是那么不切实际。在没有意识到这一点的情况下，许多文明发展出了使食物“玻璃化”的方法，通常是通过冷却和脱水相结合的方法来保存食物。这导致了像玉米饼片和牛肉干这样的食物比原来的食物更脆，但保质期更长。这就是为什么玻璃化转变成为现代食品科学家的一个关键概念。从本质上讲，研究人员发现染色体化石被困在一块冻干的猛犸象肉干中。

“我们通过对冷冻干燥的老牛肉干进行实验来证实这一理论，这种牛肉干比长毛象牛肉干更容易找到。我们朝它开了一枪。我们开车从它身上碾过去了。我们让休斯顿太空人队的前首发投手向它投了一个快球。每一次，牛肉干都碎成小块，像玻璃一样碎了。但在纳米尺度上，染色体是完整的，没有改变。这就是这些化石能存活下来的原因。这就是为什么它们在5.2万年后还在那里，等着我们去发现它们的原因。”