科学家们首次绘制出属于古代动物的三维DNA结构：一头拥有鲻鱼头式发型的52,000年前的猛犸象。这项发表在Cell杂志上的进展，使研究人员能够以前所未有的精度拼合这种生物的基因组，并检测到其细胞中过去基因活动的痕迹。
古代DNA通常以短而分散的片段形式出现。研究人员正是从这些片段中识别出早期人类的新物种，改写了马的驯养史，并揭示了洞熊等生物灭绝的原因和时间。但如果说之前的努力是从生命之书中找回散落的页面，那么当前的研究则捕获了一个带有折角书页的有序堆叠。
“这项新工作为探索已灭绝物种的生物学开辟了重要的全新可能性，”伦敦自然历史博物馆的古生物学家 Adrian Lister 说，他没有参与这项研究。“这是一项令人震惊的研究。”
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一个多世纪以来，许多遗传学家都怀疑这类结构能否在化石中保存下来。在生物体内，DNA分子会因蛋白质开启或关闭各种基因而扭曲和盘绕。然而，生物体死亡后，这些分子开始破碎，产生像水中染料一样在空间中移动的碎片。猛犸象样本中的DNA发生了断裂，但没有分散：这些碎片遭遇了罕见的分子交通堵塞，因此它们停留在原地，保持了完整的染色体结构，其宽度仅为50纳米。
研究小组表示，该样本是从猛犸象耳朵附近提取的一条皮肤，之所以保存得如此完好，可能是因为它经历了自发冻干。猛犸象死后不久，永久冻土覆盖了它的身体。苔原的低温减缓了其分子的运动，而苔原干燥的大气造成的脱水意味着没有水可供DNA片段移动，这使得这种皮革状的样本比普通超市零食更耐储存。
Leonello Calvetti/Science Photo Library/Getty Images
为了恢复猛犸象染色体的精确特征，研究人员修改了一种名为 Hi-C 的基因组分析程序，以绘制彼此接触的 DNA 片段。猛犸象的遗传物质聚集成 28 对染色体，这与它的现存后代亚洲象和非洲象的数量相同——这是一个积极的迹象，表明该方法产生了可信赖的结果。
然后，研究小组进一步放大，组装了完整基因组的 DNA 序列，并评估了染色体形状中更细微的变化。通过将猛犸象的染色体区室与其最近的亲戚亚洲象的染色体区室进行比较，研究人员识别出数百个在两个物种的皮肤中功能不同的基因；他们甚至 pinpointed 了一个基因簇，该基因簇部分负责猛犸象标志性的多毛和抵御寒冷的能力。
例如，一个名为 EGFR 的基因在猛犸象中处于非活动状态，但在亚洲象中处于活动状态。之前的实验表明，在人类和绵羊中抑制该基因都会产生蓬乱的毛发。（随着时间的推移，猛犸象化石往往会失去它们的毛发。然而，研究中的标本却炫耀着鲻鱼头，这为它赢得了“克里斯·瓦德尔”的绰号，这个名字来源于一位发型相似的著名英国足球运动员。）
贝勒医学院的遗传学家、研究合著者 Erez Lieberman Aiden 说，除了这些针对猛犸象的发现之外，这项研究还突显了化石可以包含多少遗传信息。除了对克里斯·瓦德尔的分析之外，该团队还在另一个保存完好的猛犸象样本上测试了他们的程序，并发现了大规模的染色体结构，但没有发现较小的结构。
研究人员不确定其他化石（无论是否是猛犸象）能够像这个 52,000 年前的标本一样保持不受干扰的可能性有多大。但他们怀疑，包括木乃伊制作中涉及的热风干燥在内的一系列情况可能会产生必要的分子条件。通过对各种牛肉进行实验，科学家们发现，新鲜肉在室温下三天后就会失去其染色体结构。然而，脱水的牛肉（无论是通过加热还是冷冻干燥）都能将这种结构保持一年以上。而且，这些干燥的旧样本非常坚固，即使被汽车碾过、被快速棒球击中以及浸入酸中也能幸存下来。（“经过一年的[实验]，我们开始变得有点精神错乱，”Aiden 说。）
Aiden 希望这项研究将为科学家们识别其他适合此类研究的样本铺平道路。“我乐观地认为，还有很多这样的样本存在，”他说。该团队计算出，改进后的 Hi-C 协议甚至可以用于长达两百万年的标本：这是基因组“文本”中的字母变得无法辨认的当前阈值。
哥本哈根大学的遗传学家、研究合著者 Juan Rodríguez 认为，更广泛地使用该技术可以生成更精确的古代基因组，并允许分析新物种。当检查古代标本的 DNA 片段时，科学家通常会根据已灭绝生物最近的现存亲属的基因组来猜测片段的顺序，但这种方法掩盖了古代物种和现代物种之间的区别，并且在现代物种与古代物种差异很大或古代物种缺乏现代后代的情况下（例如，披毛犀和剑齿虎）会失效。新的 3D 结构分析可能有助于绕过这些障碍。Rodríguez 建议，未来的工作可以充实进化树，或者研究生物体如何适应其不断变化的环境，从而为现代保护工作提供见解。
贝勒医学院的计算生物学家、研究合著者 Olga Dudchenko 说：“我们可能甚至无法预见[这篇论文可能导致的]一切。” 她指出，毕竟，自从 20 世纪 80 年代古基因组学问世以来，该领域已经以科学家们当时无法想象的方式扩展。研究人员希望他们研究其他生物的同行可能会找到他们自己的“克里斯·瓦德尔”。
本文的一个标题为“猛犸象组装”的版本被改编收录在 2024 年 10 月刊的大众科学杂志中。本文反映了该版本，并添加了一些为印刷而删节的材料。