O trabalho genômico de Olga Dudchenko revelou por que os mamutes lanosos eram tão lanosos

No verão de 2024, os pesquisadores relataram que tinham genes sequenciados do DNA de 52.000 anos de um mamute lanoso. A besta antiga foi desenterrada na Sibéria, onde havia sido preservada em permafrost. O secagem por congelamento transformou a pele do animal para um vidro estável que mantinha o arranjo 3D dos cromossomos.

“O que estávamos vendo period, em certo sentido, um pedaço de gigantesco brusco”, diz Olga Dudchenko, físico aplicado e matemático que trabalha em genômica na Baylor School of Drugs. Dudchenko foi um dos líderes deste projeto de 9 anos, juntamente com colaboradores da Universidade de Copenhague e da Universidade de Barcelona.

A equipe teve como objetivo analisar uma amostra antiga usando uma variação de Hello-C, uma técnica de alto rendimento para examinar a estrutura 3D do DNA. O método pode iluminar a função das células e montar dados de sequenciamento de DNA no genoma de um organismo.

Usando Paleohi-C, uma versão adaptada para materials genético antigo, a equipe foi capaz de encontrar Centenas de genes que eram ativos em mamutes, mas não em elefantese vice -versa (Célula 2024, doi: 10.1016/j.cell.2024.06.002). Carolyn Wilke conversou com Dudchenko sobre a técnica usada pelos pesquisadores, como funciona e seu potencial. Esta entrevista foi editada por comprimento e clareza.

Por que sua equipe investigou a estrutura 3D do antigo DNA gigantesco?

Houve muita discussão sobre se a estrutura 3D dos genomas pode de alguma forma ser preservada ao longo do tempo. Um dos revisores do estudo disse que, antes deste artigo, eles não acharam que period possível.

Se você olhar para as ilustrações, mesmo a partir do comunicado de imprensa do Prêmio Nobel que Svante Pääbo ganhou por avançar o campo do DNA antigo, você vê que as pessoas pensam no DNA antigo espalhado pelo native arqueológico ou paleo. É como pedaços de DNA deitado em algum lugar misturado com contaminantes.

O DNA é uma molécula frágil. Depois que um organismo morre, esses polímeros longos começam a fragmentar. Os nucleases vêm e cortam o DNA, e reações químicas como a hidrólise quebrarão o DNA. Não é irracional esperar que tudo meio que flutue por causa da difusão. Mas estávamos curiosos. Existe alguma possibilidade de que, em algumas circunstâncias, de alguma forma, as peças de DNA ainda permaneçam em suas posições relativas?

Lançamos uma festa de pesquisa. Por 5 anos, estávamos mais ou menos pesquisando em vão. Então, em nosso quinto ano, encontramos uma amostra que parecia promissora – o mamute lanoso.

Por que queremos examinar a estrutura 3D do DNA usando um método como Hello-C?

Se você tirar o DNA de qualquer célula em seu corpo e estique -o, essa molécula de polímero terá cerca de 2 m de comprimento. De alguma forma, aqueles longos macarrão polímero estão amontoados dentro de um núcleo que tem 6 µm de diâmetro. Alerta de spoiler: a maneira como o DNA está repleto não é aleatório. Há um significado funcional para como o DNA é dobrado. A maioria dos 2 m de DNA é mais ou menos idêntica. No entanto, as células fazem coisas muito diferentes. Pode ser útil pensar no DNA como uma impressão de origami de um guide de instruções. Dependendo de como você dobrá -lo, você vê instruções ligeiramente diferentes. Há uma relação entre a maneira como as células operam e a maneira como seus genomas são dobrados.

A maneira mais pure de figurar (como o DNA é dobrado em uma célula) é olhar para o DNA sob um microscópio. As pessoas rotulavam peças de DNA com cores diferentes e vêem onde se reúnem. Isso funciona bem, exceto que há tantas posições. Então, Erez Lieberman Aiden e seus colaboradores surgiram (com o Hello-C) para ler informações sobre quem está perto de quem em 3D na alta taxa de transferência. (Aiden está na Baylor School of Drugs e é um dos co -autores do jornal – ed.)

Como funciona o Hello-C para revelar essas informações espaciais sobre o DNA?

Cortamos as moléculas de DNA quando ainda estão em sua posição 3D unique. Então nós os lançamos. A ligase é basicamente uma enzima que (se) vê duas pontas penduradas, ele as colará. Não sabe quem period o vizinho unique. Às vezes, as peças voltam para seus vizinhos (na sequência linear), mas às vezes uma ligase apenas pega algo próximo em 3D e as fundem em uma quimera 1D. Podemos ler a sequência como uma única unidade.

Você está lendo um pedaço de DNA que vem de algum lugar e de outro pedaço de DNA que estava perto dele em 3D. O experimento Hello-C basicamente nos diz quais posições do genoma estavam próximas em 3D.

Recebemos (genomas de) o elefante asiático e o elefante africano, e então usamos algumas das informações sobre elephantids ao montar o mamute (genoma). Mas nós o usamos de uma maneira muito diferente das pessoas anteriormente.

As pessoas pegavam as seqüências de mamutes e encontravam o lugar correspondente no genoma do elefante. O contexto geral, a estrutura de cromossomos inteiros, dependia totalmente do elefante. Por exemplo, as pessoas não sabiam quantos cromossomos o mamute tinha. Eles poderiam apenas adivinhar que period o mesmo que o elefante. Não precisamos adivinhar. Agora confirmamos que o contexto é bastante semelhante.

Inerentemente, o procedimento que apresentamos deve funcionar, mesmo que não haja parente próximo como os elefantes, desde que você obtenha dados suficientes.

Isso provou que saber como as dobras do genoma podem ser muito úteis para ajudar na montagem do genoma a partir de fragmentos de DNA.

Por que isso é útil para montar genomas?

Normalmente, sequenciamos o genoma em pedaços. Você leu talvez 100 pares de bases de cada vez. Mas esses polímeros longos estão na escala de 100 milhões de pares de bases. De alguma forma, você precisa descobrir como eles se sobrepõem para tentar criar a sequência completa.

O problema é que os genomas reais contêm sequências repetidas. A analogia clássica é um quebra -cabeça. Existem essas partes superfratantes – como um céu azul. Não há recursos que abranjam em peças individuais. Mas às vezes você tem peças de fronteira, então há algumas informações espaciais que não têm nada a ver com a própria imagem.

Na montagem do genoma, ter informações sobre como um genoma dobra em 3D é bastante útil. O conteúdo nem é importante, mas fornece algumas restrições que reduzem a complexidade do problema.

Temos esse projeto chamado DNA Zoo Consortium, onde basicamente colocamos esses tipos de métodos para trabalhar para montar espécies e liberar (seus genomas) como um recurso de código aberto. É comprovado para a comunidade de conservação, porque muitas vezes eles não têm recursos para gerar genomas.

Por que você precisou adaptar o Hello-C para criar paleohi-c para trabalhar em amostras antigas?

Há muito pouco materials. Geralmente em uma amostra moderna, você extraia núcleos. Nas amostras de Paleo, não há garantia de que haverá núcleos intactos. Tivemos que criar uma maneira de trabalhar com amostras sujas ou apenas pedaços de núcleos e o que é chamado de cromatina, pedaços de DNA associados a proteínas.

Além disso, geralmente amplificamos o DNA para garantir que possamos ler o máximo de informações possível. Mas o DNA antigo tem muitos danos. Portanto, você precisa adaptar as reações (amplificação) usando polimerases especiais para avançar os danos no DNA antigo. Esses ajustes foram informados pelo antigo campo de sequenciamento de DNA.

O que você aprendeu estudando o DNA do mamute?

A maneira como os genomas dobra se refere ao que a célula faz. Isso significa que podemos usar essas informações para fazer perguntas sobre se um gene específico estava ativo ou não.

Criamos um mapa de primeira linha da atividade gênica em uma amostra antiga e a comparamos com o mapa gerado de maneira semelhante da atividade gênica na pele de elefante. Como seria de esperar, eles eram bastante semelhantes.

Então, onde estariam as poucas diferenças? Na verdade, eles provaram estar associados a genes que são conhecidos por estarem associados ao desenvolvimento do folículo capilar e à manutenção do cabelo. Os elefantes modernos são mais ou menos carecas. As pessoas não sabem ao certo o que fez com que os mamutes lanosos sejam lanosos, o que é de interesse para empresas como biosciências colossais que estão tentando tornar algo parecido com um elefante lanoso como proxy para o mamute.

Que outras perguntas sobre a vida antiga podem ser usadas paleohi-c para estudar?

Por fim, estamos curiosos sobre as espécies anteriores porque elas nos contam histórias sobre adaptação. O gigantesco teve que se adaptar a um ambiente em mudança. Podemos ver os traços dessas adaptações em seu genoma. Podemos aprender com isso.

Eu certamente espero que haja muito mais espécies para as quais seremos capazes de ler diretamente as informações sobre o que aconteceu com elas – não deve estar confinado a interpretar suas histórias lendo os genomas das espécies modernas. Podemos ver diretamente e podemos testar nossas idéias sobre como a evolução de espécies específicas ocorreu.

Espero que haja uma infinidade de estudos desse tipo – parecendo novas amostras e amostras antigas que nunca foram exploradas para esse tipo de informação antes – e que as pessoas inventarão maneiras realmente emocionantes de interpretar e contar histórias.

Carolyn Wilke é um escritor freelancer de Chicago que cobre química, materiais e o mundo pure. Uma versão desta história apareceu pela primeira vez em Ciência Central da ACS: Cenm.ag/dudchenko.