科學家們首次繪製出屬於古代動物的三維DNA結構：一頭擁有鯔魚頭式髮型的52,000年前的猛獁象。這項發表在Cell雜誌上的進展，使研究人員能夠以前所未有的精度拼合這種生物的基因組，並檢測到其細胞中過去基因活動的痕跡。
古代DNA通常以短而分散的片段形式出現。研究人員正是從這些片段中識別出早期人類的新物種，改寫了馬的馴養史，並揭示了洞熊等生物滅絕的原因和時間。但如果說之前的努力是從生命之書中找回散落的頁面，那麼當前的研究則捕獲了一個帶有折角書頁的有序堆疊。
“這項新工作為探索已滅絕物種的生物學開闢了重要的全新可能性，”倫敦自然歷史博物館的古生物學家 Adrian Lister 說，他沒有參與這項研究。“這是一項令人震驚的研究。”
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一個多世紀以來，許多遺傳學家都懷疑這類結構能否在化石中儲存下來。在生物體內，DNA分子會因蛋白質開啟或關閉各種基因而扭曲和盤繞。然而，生物體死亡後，這些分子開始破碎，產生像水中染料一樣在空間中移動的碎片。猛獁象樣本中的DNA發生了斷裂，但沒有分散：這些碎片遭遇了罕見的分子交通堵塞，因此它們停留在原地，保持了完整的染色體結構，其寬度僅為50奈米。
研究小組表示，該樣本是從猛獁象耳朵附近提取的一條皮膚，之所以儲存得如此完好，可能是因為它經歷了自發凍幹。猛獁象死後不久，永久凍土覆蓋了它的身體。苔原的低溫減緩了其分子的運動，而苔原乾燥的大氣造成的脫水意味著沒有水可供DNA片段移動，這使得這種皮革狀的樣本比普通超市零食更耐儲存。
Leonello Calvetti/Science Photo Library/Getty Images
為了恢復猛獁象染色體的精確特徵，研究人員修改了一種名為 Hi-C 的基因組分析程式，以繪製彼此接觸的 DNA 片段。猛獁象的遺傳物質聚整合 28 對染色體，這與它的現存後代亞洲象和非洲象的數量相同——這是一個積極的跡象，表明該方法產生了可信賴的結果。
然後，研究小組進一步放大，組裝了完整基因組的 DNA 序列，並評估了染色體形狀中更細微的變化。透過將猛獁象的染色體區室與其最近的親戚亞洲象的染色體區室進行比較，研究人員識別出數百個在兩個物種的皮膚中功能不同的基因；他們甚至 pinpointed 了一個基因簇，該基因簇部分負責猛獁象標誌性的多毛和抵禦寒冷的能力。
例如，一個名為 EGFR 的基因在猛獁象中處於非活動狀態，但在亞洲象中處於活動狀態。之前的實驗表明，在人類和綿羊中抑制該基因都會產生蓬亂的毛髮。（隨著時間的推移，猛獁象化石往往會失去它們的毛髮。然而，研究中的標本卻炫耀著鯔魚頭，這為它贏得了“克里斯·瓦德爾”的綽號，這個名字來源於一位髮型相似的著名英國足球運動員。）
貝勒醫學院的遺傳學家、研究合著者 Erez Lieberman Aiden 說，除了這些針對猛獁象的發現之外，這項研究還突顯了化石可以包含多少遺傳資訊。除了對克里斯·瓦德爾的分析之外，該團隊還在另一個儲存完好的猛獁象樣本上測試了他們的程式，並發現了大規模的染色體結構，但沒有發現較小的結構。
研究人員不確定其他化石（無論是否是猛獁象）能夠像這個 52,000 年前的標本一樣保持不受干擾的可能性有多大。但他們懷疑，包括木乃伊製作中涉及的熱風乾燥在內的一系列情況可能會產生必要的分子條件。透過對各種牛肉進行實驗，科學家們發現，新鮮肉在室溫下三天後就會失去其染色體結構。然而，脫水的牛肉（無論是透過加熱還是冷凍乾燥）都能將這種結構保持一年以上。而且，這些乾燥的舊樣本非常堅固，即使被汽車碾過、被快速棒球擊中以及浸入酸中也能倖存下來。（“經過一年的[實驗]，我們開始變得有點精神錯亂，”Aiden 說。）
Aiden 希望這項研究將為科學家們識別其他適合此類研究的樣本鋪平道路。“我樂觀地認為，還有很多這樣的樣本存在，”他說。該團隊計算出，改進後的 Hi-C 協議甚至可以用於長達兩百萬年的標本：這是基因組“文字”中的字母變得無法辨認的當前閾值。
哥本哈根大學的遺傳學家、研究合著者 Juan Rodríguez 認為，更廣泛地使用該技術可以生成更精確的古代基因組，並允許分析新物種。當檢查古代標本的 DNA 片段時，科學家通常會根據已滅絕生物最近的現存親屬的基因組來猜測片段的順序，但這種方法掩蓋了古代物種和現代物種之間的區別，並且在現代物種與古代物種差異很大或古代物種缺乏現代後代的情況下（例如，披毛犀和劍齒虎）會失效。新的 3D 結構分析可能有助於繞過這些障礙。Rodríguez 建議，未來的工作可以充實進化樹，或者研究生物體如何適應其不斷變化的環境，從而為現代保護工作提供見解。
貝勒醫學院的計算生物學家、研究合著者 Olga Dudchenko 說：“我們可能甚至無法預見[這篇論文可能導致的]一切。” 她指出，畢竟，自從 20 世紀 80 年代古基因組學問世以來，該領域已經以科學家們當時無法想象的方式擴充套件。研究人員希望他們研究其他生物的同行可能會找到他們自己的“克里斯·瓦德爾”。
本文的一個標題為“猛獁象組裝”的版本被改編收錄在 2024 年 10 月刊的大眾科學雜誌中。本文反映了該版本，並添加了一些為印刷而刪節的材料。