Головна
Біологія
Мамонти, мумії та Індіана Джонс. [Генетикиня Ольга Дудченко розповіла про першу у світі реконструкцію хромосом мамонта]

Мамонти, мумії та Індіана Джонс. Генетикиня Ольга Дудченко розповіла про першу у світі реконструкцію хромосом мамонта

Юлія Назаренко 04 Серпня

Нещодавно вчені вперше змогли реконструювати цілі хромосоми вимерлого мамонта. Досі з такою точністю не відтворювали структуру жодного давнього геному, але тепер успішно протестований на мамонті метод відкриває новий напрямок у генетиці, який дозволить вивчати найрізноманітніші викопні зразки — від доісторичних тварин до стародавніх мумій людей. І цієї роботи не було б без генетикині Ольги Дудченко, провідної співавторки дослідження.

Вона народилася у Києві, а 2012 року переїхала до США, де почала досліджувати тривимірну структуру геному. У 2019 році дослідниця потрапила у список «Інноватори до 35» за версією MIT Technology Review за свій внесок у розробку методів, що прискорюють і здешевлюють складання геномів — саме цей метод і використали при реконструкції тривимірної структури хромосом мамонта. Ми розпитали її про це, й дізналися, чому вона зацікавилася мамонтами, геном яких ще тварин вивчала науковиця, та як це взагалі можливо — відтворити щось у мамонта, який жив 52 тисячі років тому.

Технологія прочитання геному мамонта

Спершу варто розповісти про метод, з яким працювала Ольга з колегами, щоб реконструювати хромосоми мамонта — технологію Ні-С. Її розробили для того, щоб краще зрозуміти властивість ДНК (яку можна собі уявити у вигляді дуже довгої локшини) в ядрі клітини розташовуватись не абияк, а упаковуватись в структури, схожі на петельки. Завдяки цьому деякі регіони ДНК можуть опинитися поруч і таким чином впливати на активність один одного, хоча у генетичній послідовності, якщо уявляти її одновимірно, вони розташовані вздовж контуру ДНК один від одного далеко.

Згідно з методикою Ні-С, тривимірне положення ДНК та її взаємодію з білками можна навіть зберегти для подальшого дослідження, зафіксувавши зразок, наприклад, формальдегідом. Тоді ДНК у ядрі розрізають на менші фрагменти й знову зшивають. Так утворюються химерні композитні послідовності фрагментів ДНК, що не були поруч в одновимірному вигляді геномів, але були зшиті разом через їхню близькість у тривимірному. Відтак потрібно буде лише провести секвенування отриманих шматочків, щоб дізнатися, які саме ділянки ДНК в ядрі взаємодіяли один з одним у 3D.

nauka.ua: Ви працюєте над покращенням технології Ні-С, яка згодом уможливила виявлення хромосом мамонта. А як саме виникла ідея поєднати цей метод з палеобіологією?

Ольга Дудченко: Я працюю у Центрі архітектури геному разом з його директором Ерезом Айденом (Erez Aiden), який власне і є одним із винахідників технології Ні-С та опублікував статтю про неї у 2009 році. До речі, він також є одним з головних співавторів нашої нової публікації. Він дуже багато зробив для становлення галузі 3D геноміки, яка має на меті зрозуміти, як ДНК згортається у тривимірні структури та розташовується в ядрі.

Насправді визначити, що дві ділянки ДНК знаходяться поруч — не так легко, як може здатися на перший погляд. Раніше для цього доводилось додавати кольорові мітки до ДНК і дивитись під мікроскопом, чи збігається сигнал від них, але цей процес надто довгий та трудомісткий. Таким чином, головна перевага технології Ні-С в її ефективності: вона дозволяє зчитувати інформацію про близькість фрагментів ДНК в 3D для мільярдів фрагментів одночасно.

Так ми почали створювати цілі мапи архітектури геному у різних видів з усіх царств живого світу. Всі вони представлені у нашому проєкті DNA Zoo. І, наприклад, публікація про тривимірну структуру ДНК комара Aedes aegypti стала корисною для розуміння, як він переносить вірус Зіка. Також у нас була робота про те, як зробити з людини муху (в найкращих традиціях фільму жахів «Муха»), принаймні в тому, що стосується тривимірної структури ДНК.

Врешті-решт, після того, як ми розглянули таким чином багато сучасних видів, нам стало цікаво спробувати, чи зможемо ми дізнатися щось нове про види вже вимерлі. Звісно, тоді ми не могли навіть точно стверджувати, що цей підхід спрацює на давній ДНК, або що нам трапиться підхожий зразок. Але дев'ять років тому це здавалося дуже природним продовженням роботи.

За словами одного з рецензентів нашої статті, він був певний, що зроблена нами робота неможлива поки не прочитав роботу.

Ольга про реакцію на її з колегами роботу щодо відтворення хромосом мамонтів

Чому недостатньо знати лише послідовність ДНК, а потрібно розуміти ще й тривимірну її упаковку?

Всі клітини вашого тіла: гепатоцити (клітини печінки), волосяні фолікули, клітини шкіри або сітківки мають одну й ту саму ДНК послідовність, за виключенням, можливо, якихось незначних спонтанних мутацій. Тобто всі клітини мають однаковий набір інструкцій, але якимось чином все ж виконують дуже різні функції в організмі.

Наприклад, вони виробляють різні білки, працюють за різним графіком, реагують на різні стимули. Це стає можливим тому, що у кожного типу клітин ДНК упаковується по-своєму. Принцип трохи нагадує оригамі — можливо, згадаєте таку дитячу гру з оригамі-квіткою, де один і той самий шматок паперу показує різну інформацію залежно від того, як його розгортати.

Отже, розуміння архітектури геному дозволяє нам повністю його відтворювати, вивчати регуляцію клітинних процесів. Це на додаток до таких базових речей як збірка геному і, наприклад, визначення кількості хромосом.

В чому полягає складність збірки геному і як з цим допомагає Ні-С?

Окрема молекула ДНК у клітині називається хромосомою. Типова хромосома ссавців має сто мільйонів пар нуклеотидів, тобто літер генетичного коду. Доступні наразі дешеві технології дозволяють за один раз прочитати всього лише сто таких літер. Хоча прогрес у цьому напрямку іде, і для сучасних зразків з непошкодженою ДНК можна прочитати й десять тисяч літер за раз за відносно прийнятні суми грошей. Далі ж науковцям доводиться збирати хромосоми тварини з цих маленьких уривків.

Це схоже на складання пазлів: вам потрібно знайти два шматочки, що збігаються за деталями в контексті цілого зображення, і поєднати їх. Особливо проблемними завжди є монотонні області, наприклад, синє небо чи безперервні хвилі. В ДНК таке теж часто трапляється: такі регіони називаються повторами, і їх положення в геномі особливо важко визначити. І тут у пригоді стає інформація про тривимірну архітектуру геному: завдяки їй ви можете дізнатися, як далеко розташовані два шматочки пазла один від одного, або, наприклад, де знаходяться краї зображення.

Таким чином технологія Ні-С надає просторову інформацію, що доповнює контекст генетичної послідовності й дуже полегшує її збірку.

Що нового про мамонтів розповіли їхні хромосоми?

По-перше, завдяки 3D інформації про геном мамонтів ми змогли порахувати їхні хромосоми та визначити, що їх 28 пар. По-друге, це дозволило нам дізнатися більше про регуляцію активності генів у цих тварин та порівняти її з найближчими живими родичами мамонтів — слонами. Для цього ми звернулись до наших колег у Техаських зоопарках та отримали від них зразок шкіри слона.

Ми визначили, що приблизно 3 відсотки геному мамонта відрізнялися своєю активністю у порівнянні зі слонами. Ймовірно, деякі з цих генів відповідали за розвиток хутряного покрову та пристосування до холоду. Такі знахідки, мабуть, порадують компанії, наприклад Colossal, які мають на меті «мамонтувати» слонів, адже це доповнює вже наявні генетичні інструкції.

Про яке «мамонтування» слонів йдеться?

Пані Ольга згадала компанію Colossal, яка планує створити холодостійких слонів, які були б наближені до вимерлих велетів наскільки це можливо. Для цього вчені планують використати клітини азійського слона, які отримають генетичну інформацію мамонтів за допомогою технологій редагування геному, а створений таким чином ембріон виносить самиця слона. Нова інформація про тривимірну структуру геному мамонта допоможе компанії зробити генетичні інструкції ще точнішими ніж раніше.

Які особливості чи умови посприяли збереженню зразків мамонта настільки, що ви змогли реконструювати його хромосоми?

Зразок дійсно особливий, однак ми не думаємо, що він абсолютно унікальний. Доволі часто, коли знаходять мумії тварин, вони геть лисі, адже через природні умови шкіра піддається механічному стресу, розтягується та стискається, тож волосся поступово випадає. А от на шкірі нашого мамонта досі залишалося волосся, до речі, каштанового кольору. Тож ми знали, що він зберігся напрочуд добре.

Однак, наші колеги знайшли лише частину шкіри з лівого боку голови, в той час, як решта мамонта була відсутня. Ден Фішер — один з учасників міжнародної експедиції до Сибіру 2018 року, що знайшла шкіру мамонта, і який спеціалізується на пошуку слідів людської активності на палеонтологічних знахідках, — вважає, що характер надрізів на шкірі може вказувати на те, що його оббілували давні люди. Можливо, така обробка навіть допомогла мамонтовим зразкам зберегтися. В такому разі, це можна вважати колаборацією між людьми довжиною у 52 тисячі років.

І все ж, у нас є причини вважати, що така муміфікація не була поодиноким випадком, тож ми сподіваємося знаходити подібні зразки в майбутньому, і не лише мамонтів, а й інших тварин також.

А які є правила поводження зі зразками мамонта?

Цей зразок був знайдений під час міжнародної експедиції ще у 2018 році, а далі робота над ним велася переважно в палеолабораторіях в Стокгольмському та Копенгагенському університетах, у лабораторіях Луве Далена (Love Dalén) і Тома Гілберта (Tom Gilbert). Показники середовища у цих лабораторіях ретельно контролюються, а співробітники мають носити захисні костюми. Такі зусилля докладаються, аби максимально знизити ймовірність забруднення зразків ДНК стороннім генетичним матеріалом.

Наприклад, наші дослідження спеціально проводились у приміщеннях, де ніколи не працювали зі слоновою ДНК. Адже, на жаль, подібні випадки забруднення вже траплялися раніше, зокрема при вивченні людської ДНК та навіть у роботі криміналістів, що мало серйозні наслідки. Тож ми взяли до уваги ці ризики та зробили зі свого боку все можливе, щоб не допустити контамінації.

А що зазвичай стається з давньою ДНК на молекулярному рівні, чого не трапилось з цим мамонтом?

Почнемо з того, що в живих організмах дуже довгі ланцюги ДНК знаходяться у комплексі з різними білками, які допомагають компактно вмістити її в ядрі. А от у викопних зразках ці комплекси розпадаються, білки деградують, а ДНК фрагментується. Ці шматочки ДНК можуть вільно дифундувати у зразку, тож з часом вся архітектура руйнується та перемішується. Неозброєним оком ці процеси можна побачити, якщо залишити м’ясо при кімнатній температурі: вже за декілька діб воно почне втрачати свою структуру і цілісність. А от з нашим мамонтом такого не сталося за 52 тисячі років.

Ми думаємо, причиною стали втрата вологи та дія холоду, тобто шкіра висохла і перетворилась на такого собі в’яленого мамонта. З фізичної точки зору, це називається склування: під час цього процесу рух молекул в клітині затримується, наче вони потрапили в затор. За таких умов дифузія майже відсутня, фрагменти геному не перемішуються і архітектура геному не втрачається з часом. Ми назвали такий стан «хромоскло».

Щоб підтвердити цю теорію збереження, ми навіть провели декілька експериментів зі звичайним м’ясом, яке піддали склуванню. Ми заливали його кислотою, переїжджали машиною, запікали в духовці, розбивали молотком — але генетичний матеріал у стані скла витримав усі випробування.

Наразі починає розвиватися напрямок з пошуків альтернативних способів збереження інформації, і одним з поширених фаворитів є ДНК завдяки її стабільності. Можливо, стан хромоскла стане в пригоді у цій сфері також?

Хоча за 52 тисячі років ДНК не збереглась повністю і її остов був переважно зруйнований, все ж наші експерименти продемонстрували неймовірну витривалість хромоскла. Тому я думаю, використання деяких його властивостей для збереження інформації могло б бути перспективним напрямком подальших досліджень.

Завжди захопливо спостерігати, як інші люди вигадують для вашої роботи такі застосування, які ви навіть не мали на думці з самого початку.

Які ще, до прикладу, можуть бути подальші застосування цього методу?

Схожі питання нам часто задавали рецензенти. Це справді рідкісний зразок? Таке часто буває? Таке трапляється лише з муміями з вічної мерзлоти? А інші мумії бувають?

З численних експериментів з їжею ми можемо стверджувати, що цей процес не унікальний: воду можна втратити різними способами. Наприклад, сушіння з подальшим замороженням мамонта та наше сушіння гарячим повітрям в експерименті з м’ясом дали такий самий ефект, отже і хромоскло можна отримати різними шляхами.

Наприклад, є багато пустельних мумій. Та й взагалі, багато культур по всьому світу побудували свої релігійні вірування навколо висушування цінних речей: від трупів людей і домашніх тварин до різноманітної їжі. Поки це лише теорія, але цілком раціонально припустити, що серед цих мумій будуть деякі, що теж зберегли тривимірну структуру ДНК.

Ви провели таку масштабну роботу, а які тепер маєте плани на найближче майбутнє?

Я, звичайно, сподіваюся продовжити працювати з викопними зразками, адже, знаєте, в дитинстві я мріяла бути археологом як Індіана Джонс, проте не склалося. Натомість я маю ступінь з прикладної фізики та математики, тож ця робота з палеогеноміки — найближче, що я наразі маю до своїх дитячих фантазій.

Якщо серйозно, ми сподіваємося, що наша праця з реконструкції хромосом — таке досягнення, що відкриває нові горизонти. Є велика ймовірність, що деякі зі старих зразків у музеях теж зберегли тривимірну структуру ДНК, просто їх ніхто не перевіряв, адже до нас ніхто не знав, що така реконструкція взагалі можлива, а тепер люди матимуть методологію для цього.

Крім цього, звісно, залишаються ще деякі сучасні види, чиї геноми ми хотіли б обробити та опублікувати, тож це ще один напрямок моєї роботи найближчим часом.

Ольга неймовірна. Вона дуже впливова вчена, справжній український національний скарб. Я дуже радий, що вона дає ці інтерв’ю, щоб українці мали змогу гідно оцінити її роботу

Наприкінці інтерв’ю до нас на вогник також заскочив сам Ерез Айден, якого пані Ольга згадувала на початку розмови як співавтора та одного з винахідників методу Ні-С.

Як каже і сама пані Ольга, її з колегами дослідження відкриває багато питань. І якщо деякі у вас з'явилися прямо зараз, на них може відповісти чат-бот на базі ChatGPT WOOL-E, який дослідницька група розробила спеціально для відповідей на питання щодо статті.