虽然我们可能很快就不会看到 受激素驱动、巨大的 羊毛状猛犸象 在地球上横行，但我们对这种已灭绝哺乳动物的基因组有了更深入的了解。一个国际科学家团队在保存完好的羊毛状猛犸象的皮肤上发现了古代 染色体。这只动物大约在52000年前死亡，化石在纳米尺度上（即十亿分之一米）保存了这些生命基本构成单元的结构。这项发现的详细内容刊载于 7月11日《细胞》杂志发表的一项研究 中，并展示了染色体如何帮助科学家重新组装已灭绝物种的基因组。
“我们一直知道，古代DNA的微小片段可以在很长一段时间内保存下来，”该研究的合著者、哥本哈根大学进化全基因组学中心古基因组学家Marcela Sandoval-Velasco 在一份声明中说。“但我们在这里发现的是一个样本，其中这些DNA片段的三维排列在数万年的时间里被冻结在那里，从而保存了整个染色体的结构。”
52000年前的遗传物质
像这样的化石染色体为科学家研究地球生命历史提供了新的途径。通常，古代DNA片段 的长度不超过100个碱基对，也就是100个遗传密码的字母。一头大象（羊毛状猛犸象的近亲）的完整DNA序列通常 约为32亿个碱基对，包含数十亿个字母。这些更常见的DNA片段仅仅是其遗传密码的一小部分。然而，化石染色体可以跨越数亿个遗传字母。
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“通过将古代DNA分子与现代物种的DNA序列进行比较，有可能发现遗传密码的单个字母发生变化的案例，”该研究的合著者、贝勒医学院基因组学家Olga Dudchenko 在一份声明中说。“化石染色体是一个颠覆性的发现，因为了解生物体染色体的形状使得组装已灭绝生物的整个DNA序列成为可能。这使得我们能够获得以前无法获得的见解。”
由于这些化石染色体来自一只羊毛状猛犸象，第一步是确定这只动物活着时有多少对染色体。
“我们发现它们有28对染色体，这很有道理，因为这和现代大象一样，而大象是羊毛状猛犸象现存最近的亲戚，”研究合著者、哥本哈根大学和巴塞罗那国家基因组分析中心基因组学家Juan Antonio Rodríguez 在一份声明中说。“能够第一次数出已灭绝生物的染色体数量，这令人非常兴奋。通常数数一到二十八是没法这么有趣的。”
庞大的哺乳动物，微小的颗粒
研究小组从一只 2018年发现的猛犸象 的皮肤中提取了化石染色体。通过它，他们可以知道哪些基因是活跃的，这是通过一种叫做 染色体区室化 的现象。这是指活跃和不活跃的DNA倾向于在细胞核 内分成两个空间区域。对于猛犸象的大部分基因，其活性状态与研究人员在现代大象中看到的相匹配。然而，情况并非总是如此。
“这些化石中的区室化仍然得以保存，这一点至关重要，因为它使得我们能够第一次看到羊毛状猛犸象哪些基因是活跃的，”研究合著者、进化全基因组学中心主任Thomas Gilbert 在一份声明中说。“结果发现，有几个调节毛囊发育的关键基因，它们的活性模式与大象的完全不同。”
当他们观察染色体内部时，研究小组看到的不仅仅是区室化。这些染色体与现代染色体共享了几个结构特征。最引人注目的共同特征恰好是最小的——染色质环。这些结构小至50纳米，大致相当于病毒的大小。
“这些古老染色体中环状结构的保存也许是最令人印象深刻的部分，”研究合著者、西班牙基因组调控中心基因组学家Marc A. Marti-Renom 在一份声明中说。“DNA环，只有50纳米大小，很重要，因为它们能将激活的DNA序列带到其基因靶点附近。所以，这些化石不仅仅告诉我们哪些基因是活跃的——它们还告诉我们为什么。”
冷冻干燥的羊毛状猛犸象“肉干”
然而，一个谜团仍然存在。为什么古代染色体的DNA片段能在超过50000年的时间里保持其三维结构的完整性？研究小组发现，染色体化石看起来类似于玻璃中的 分子状态——一种称为“染色玻璃”的特殊状态。
“染色玻璃很像你窗户上的玻璃：它很坚固，但不是有序的晶体，”研究合著者、基因组架构中心主任、贝勒医学院教授Erez Lieberman Aiden 在一份声明中说。“如果你放大观察单个颗粒，一整块玻璃——或者一块染色玻璃——基本上就是纳米级别的交通拥堵，车辆首尾相连，却没有任何车道线。在这种情况下，单个颗粒，或者古代DNA的单个片段，几乎无法移动很远。即使你等待数千年。”
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随着时间的推移，许多文明都发展出了 通过“玻璃化转变”来保存食物 的方法。这通常是通过冷却和脱水的结合来实现，从而产生牛肉干等食物。它们比原始食物更脆，但保存时间更长。研究人员发现，这些染色体化石基本上被困在了一块冷冻干燥的羊毛状猛犸象肉干中。
“我们通过对旧的、冷冻干燥的牛肉干进行实验来证实了这一理论，牛肉干比羊毛状猛犸象肉干更容易找到，”研究合著者、贝勒大学基因组学家Cynthia Pérez Estrada aid 在一份声明中说。“我们用霰弹枪射击它。我们开车压它。我们让一位前休斯顿太空人队的首发投手用快速球击打它。每一次，牛肉干都碎成了细小的碎片——像玻璃一样破碎。但在纳米尺度上，染色体是完整的，没有变化。这就是为什么这些化石能够保存下来。这就是为什么它们会在52000年后仍然在那里，等待我们去发现。”
