復活猛獁象更進一步！Cell封面論文：從52000年前猛獁象樣本中重建三維染色體結構

來源：生物世界

作者：王聰

猛獁象，是陸地上生存過的最大的哺乳動物，其中體型最大的草原猛獁象體重可達12噸，是現在亞洲象的3倍。在氣候寒冷的更新世（大約公元前180萬年至公元前1萬年），猛獁象曾在亞歐大陸北部廣泛分佈，在2萬多年前，據估亞歐大陸一度擁有大約2億隻猛獁象。然而，在距今約1萬年前，因為氣候變化以及人類捕殺等原因，猛獁象快速滅絕，大約5000年前，猛獁象徹底滅絕，這也標誌著冰河世紀的結束。

大約52000年前，在西伯利亞冰凍苔原上，一頭長毛猛獁象走到了生命的盡頭，它的屍體被永久凍土層相對完好地儲存了下來。而現在，科學家們在這個猛獁象的皮膚樣本中發現了以原始三維結構儲存下來的染色體——這在古DNA研究中被認為是不可能完成的壯舉。該研究還揭示了猛獁象DNA分子的空間組織及其皮膚中的活躍基因，包括使猛獁象擁有毛茸茸外表的基因——Edaradd和Egfr。

這項研究成果於2024年7月11日發表在了國際頂尖學術期刊 Cell 上【1】，論文題為：Three-dimensional genome architecture persists in a 52,000-year-old woolly mammoth skin sample。論文作者來自哥本哈根大學、貝勒醫學院、萊斯大學及西班牙國家基因組分析中心等機構。

這項前所未有的研究首次報告了古基因組的3D結構，由於基因組的空間結構包含其基因活性的線索，瞭解這種結構可能比單獨解析DNA序列更能深入瞭解猛獁象皮膚的細胞生物學。

大約40年前，科學家們發現，古代的樣本中仍然儲存有DNA片段，例如數千年前的埃及木乃伊。此後，在許多古代遺蹟中，科學家們檢測到了古DNA的存在。

然而，DNA會隨著時間的推移而逐漸降解並遭受化學損傷，所以之前科學家們獲得的古DNA只是缺乏連貫結構的DNA片段。用這些片段來重建一個三維基因組幾乎是不可能的，因為哺乳動物的完整基因組是典型的古DNA片段大小的3000萬倍。而一條完整的染色體的長度大約是大多數古DNA片段的100萬倍。

由於普遍認為DNA的三維結構會隨時間的流逝而消失，所以此前沒有人嘗試研究古代細胞的細胞核中的染色體組織。而貝勒醫學院的 Erez Lieberman Aiden 等人決定挑戰這一難題，他們進行了長達9年的尋找儲存完好的古代生物樣本的工作，最終，他們在從西伯利亞永久凍土層出土的一隻52000年前死亡的長毛猛獁象（Mammuthus primigenius）的皮膚樣本中發現了近乎完整的染色體。

儲存完好的猛獁象樣本

時間過去了50000多年，為何這個猛獁象的染色體依然能夠儲存完整呢？研究團隊提出，這個猛獁象的染色體在西伯利亞永久凍土層中經過脫水過程被儲存為一種玻璃樣狀態，導致組織中的DNA分子密集排列且無法移動，就像製作牛肉乾的過程一樣，該團隊對凍幹牛肉乾進行的實驗（包括用槍射擊和用車碾壓等極端測試）證實了他們理論：凍乾的牛肉乾即使玻璃一樣破碎，但它的染色體保持完整。

接下來，研究團隊分析了猛獁象染色體的結構，揭示了DNA分子的摺疊及其在細胞核中的空間組織，這兩個特徵對於確定哪些基因被啟用以及啟用多久至關重要。

與現代大象（猛獁象現存的近親）的比較不僅顯示出二者在染色體數量和結構上的相似性，還顯示出與毛髮生長和寒冷適應相關基因活性的差異。

具體來說，研究團隊使用PaleoHi-C來繪製染色質接觸圖譜並組裝其基因組，產生了28個染色體長度的支架。染色體區域、區室、環、巴爾小體和失活的X染色體超結構得以保留。猛獁象皮膚中的活躍和不活躍基因組區室與亞洲象皮膚的相似度高於其他大象。

研究團隊認為，這頭猛獁象死後不久在西伯利亞的寒冷環境中自然凍幹，導致了組織的玻璃化轉變，從而在奈米尺度上儲存了古染色體的亞化石。

該分析還揭示了新的生物學現象，區室化的差異揭示了在猛獁象與大象中，其轉錄可能發生改變的基因。猛獁象失活的X染色體具有四分體結構，不像人類和小鼠那樣是二分體結構。

這一發現也提示我們，只要條件理想，恢復古DNA的潛力超出了我們此前的認知。

2019年，喬治·丘奇（George Church）等人創立了一家名為Colossal Biosciences的生物技術公司，該公司致力於將CRISPR技術應用於物種恢復、極度瀕危物種保護及關鍵生態系統重建，其中就包括復活猛獁象。

猛獁象與亞洲象的基因組相差約140萬個鹼基序列，對應著大約1600多個蛋白質編碼基因，喬治·丘奇認為，可能只需要編輯其中數十個基因，就可能解決猛獁象胚胎在代孕亞洲象體內的發育問題。他還表示，公司的目標是製造出能在零下數十度下生存的“大象”，它的外表和行為都要像猛獁象。

隨著在西伯利亞永久凍土層發掘到儲存較為完好的猛獁象遺體，復活猛獁象的夢想似乎不再遙不可及。Colossal公司的生物科學負責人 Eriona Hysolli 表示，這項發表於 Cell 的論文中使用的方法還可以幫助研究人員組裝出完整的猛獁象基因組，完整的猛獁象基因組有助於幫助公司實現復活猛獁象並將它們重新引入其自然棲息地的計劃。

Colosal公司計劃將猛獁象細胞核移植到其近親亞洲象的細胞中，創造出亞洲象-猛獁象雜合胚胎，然後透過雌性亞洲象代孕或使用人造子宮，產下猛獁象。

值得一提的是，Colossal公司的研究人員於2023年3月在預印本平臺 bioRxiv 發表論文【2】，成功重程式設計了大象（亞洲象）誘導多能幹細胞（iPSC），將大象的成熟皮膚細胞重程式設計為胚胎狀態，這項研究是實現其復活猛獁象專案的重要里程碑。