В замороженном 40 000-летнем мамонте обнаружена поразительно сохранившаяся РНК и скрытые генетические секреты
Новое открытие показывает, что некоторые из самых хрупких биологических молекул могут сохраняться гораздо дольше, чем предполагали учёные. Расшифровав древнюю генную активность в останках ледникового периода, исследователи получили возможность заглянуть в биологию давно вымерших животных в режиме реального времени.
Исследователи из Стокгольмского университета впервые в истории выделили и секвенировали молекулы РНК шерстистых мамонтов, живших в ледниковый период. Команда проанализировала РНК, которая сохранялась в тканях мамонтов, извлечённых из вечной мерзлоты в Сибири, на протяжении почти 40 000 лет. Это самые древние из когда-либо обнаруженных последовательностей РНК. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Cell, результаты показывают, что РНК, как и ДНК и белки, может сохраняться в неизменном виде гораздо дольше, чем ожидалось, и может дать новое представление о биологии давно вымерших видов.
Краткие сведения
"Древняя ДНК произвела революцию в изучении вымерших и ныне существующих организмов, живших до 2 миллионов лет назад. Она позволила реконструировать геномы множества вымерших видов, а также экосистемы, в которых они когда-то обитали. Однако современные методы секвенирования ДНК сами по себе не могут напрямую дать представление о тканевой идентичности, динамике экспрессии генов или регуляции транскрипции, поскольку они кодируются в РНК. В этой статье мы представляем профили транскрипции 10 шерстистых мамонтов позднего плейстоцена. Одна из них, возраст которой составляет примерно 39 000 лет, содержит достаточно информации, чтобы восстановить тканеспецифичные регуляторные механизмы и биологические функции, необходимые для метаболизма скелетных мышц. Это самая древняя из известных на сегодняшний день последовательностей РНК. Мы демонстрируем возможности изучения древних молекул РНК, выходящие за рамки общепринятых ограничений, и предлагаем аналитическую основу для проверки и расшифровки сохранившихся транскриптомов. Благодаря нашим открытиям мы ожидаем появления комплексных палеоисследований, сочетающих геномику, протеомику и транскриптомику".
Молекулы РНК играют решающую и разнообразную роль в клеточном метаболизме, от переноса кодирующей информации до производства функциональных белков, регулирующая экспрессию генов или способствует сборке белка и сплайсинг интронов благодаря своим каталитическим свойствам. Динамические изменения транскрипции формируют и регулируют клеточный метаболизм на различных стадиях развития или в ответ на стимулы окружающей среды, способствующие адаптации, а также для точной настройки организации генома и экспрессии генов. Такой объём информации невозможно получить напрямую из геномной ДНК, а протеомный анализ даёт лишь частичное представление о ней.
- С помощью РНК мы можем получить прямое подтверждение того, какие гены „включены“, и заглянуть в последние мгновения жизни мамонта, который бродил по Земле во время последнего ледникового периода. Эту информацию нельзя получить только из ДНК, — говорит Эмилио Мармоль (Emilio Mármol), ведущий автор исследования. Ранее он был постдокторантом в Стокгольмском университете, а сейчас работает в Институте Глобуса в Копенгагене. Во время учёбы в Стокгольмском университете он сотрудничал с исследователями из SciLifeLab и Центра палеогенетики — совместной инициативы Стокгольмского университета и Шведского музея естественной истории.
Понимание того, как функционировали доисторические гены, необходимо для изучения биологии и эволюции вымерших видов. Ученые потратили много лет на анализ ДНК мамонтов, чтобы реконструировать их геномы и проследить их родословную. Однако РНК, которая показывает, какие гены активны, оставалась недоступной. Представление о том, что РНК разрушается в течение нескольких часов после смерти, вероятно, мешало исследователям изучать эти ценные молекулы у мамонтов и других древних животных.
- Мы получили доступ к исключительно хорошо сохранившимся тканям мамонта, найденным в сибирской вечной мерзлоте. Мы надеялись, что в них всё ещё содержатся молекулы РНК, застывшие во времени, — добавляет Эмилио Мармоль. Ученые получили доступ к исключительно хорошо сохранившимся тканям мамонта, найденным в сибирской вечной мерзлоте. Они надеялись, что в них всё ещё содержатся молекулы РНК, застывшие во времени.
Самая древняя из когда-либо секвенированных РНК
Команда обнаружила различные паттерны активности генов в замороженной мышечной ткани Юки, молодого мамонта, жившего почти 40 000 лет назад. Хотя геном мамонта содержит более 20 000 генов, кодирующих белки, только часть из них проявляет признаки активности. Восстановленная ими РНК соответствует белкам, участвующим в таких важных процессах, как сокращение мышц и борьба с метаболическим стрессом.
Мы обнаружили признаки клеточного стресса, что, возможно, неудивительно, поскольку, согласно предыдущим исследованиям, незадолго до смерти Юка на него напали пещерные львы», — говорит Эмилио Мармоль.
Исследователи также обнаружили множество молекул РНК, которые регулируют активность генов в образцах мышц мамонта. РНК, которые не кодируют белки, например микроРНК, стали одним из самых интересных открытий, которые они сделали.Специфические для мышц микроРНК, которые ученые обнаружили в тканях мамонта, являются прямым доказательством того, что в древние времена регуляция генов происходила в режиме реального времени. Это первый подобный случай. Выявленные микроРНК также помогли исследователям подтвердить, что образцы действительно принадлежали мамонтам.
Ученые обнаружили редкие мутации в некоторых микроРНК, которые убедительно доказывают их мамонтовое происхождение. Были даже выявлены новые гены исключительно на основе данных об РНК, чего раньше никогда не делали при изучении столь древних останков.
«Молекулы РНК могут существовать гораздо дольше, чем считалось ранее»
Результаты исследований показывают, что молекулы РНК могут сохраняться гораздо дольше, чем считалось ранее. Это значит, что мы сможем не только изучить, какие гены «включены» у различных вымерших животных, но и секвенировать РНК-вирусы, такие как вирусы гриппа и коронавирусы, сохранившиеся в останках ледникового периода. В будущем исследователи надеются провести эксперименты, в которых доисторическая РНК будет сочетаться с ДНК, белками и другими сохранившимися биомолекулами.
«Такие исследования могут в корне изменить наше представление о вымершей мегафауне, а также о других видах, раскрыв множество скрытых биологических аспектов, которые до сих пор оставались неизученными», — заключает Эмилио Мармоль.
О шерстистых мамонтах
Шерстистые мамонты когда-то бродили по ледяным равнинам Евразии и Северной Америки, прекрасно приспособившись к жизни в последний ледниковый период (примерно 115 000–11 500 лет назад). Благодаря своей густой шерсти, изогнутым бивням и внушительным размерам они паслись в обширных степях, простиравшихся по всему северному полушарию. Но с потеплением климата шерстистые мамонты постепенно исчезли, и последние небольшие стада выживали на отдалённых арктических островах всего 4000 лет назад.
