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撰文 塞马·S.伊克巴尔（Saima S. Iqbal） 翻译 蔡雨辛
科学家第一次描绘出了古生物DNA的三维结构。这些DNA来自一头52 000岁的“冻干”猛犸象。被发现时，它还留着鲻鱼头的发型。在发表于《细胞》（Cell）的研究中，研究人员以空前的精度拼凑出了猛犸象的全基因组序列，还找到了基因曾经的活动踪迹。
古DNA通常以短小、分散的片段形式出现。如果说以前的研究仅能拾取生命之书中零散的书页，那么这项研究就像是找到了一本按页码排好的册子，只是书角有些磨损。英国伦敦自然历史博物馆的古生物学家阿德里安·利斯特（Adrian Lister）表示：“这是一项惊人的工作，为研究已灭绝的生物开辟了新的可能性。”
长期以来，遗传学家一直对三维染色体结构能否在化石中保存下来持怀疑态度。在活着的生物体内，DNA分子会随各种基因的开启或关闭而扭曲、盘绕。当生物体死亡后，DNA分子则会断裂，变成许多杂乱无章的碎片。但这头猛犸象的DNA分子遇到了罕见的“分子交通堵塞”，使其染色体结构至今仍能保持完整。
研究团队认为，样本之所以能保存得如此完好，可能是因为它经历了自然的冻干过程。猛犸象死后不久，冻土就覆盖了它的尸体。苔原的低温导致分子运动减慢，同时干燥的环境造成了脱水（这意味着没有水分供DNA片段移动），因此这头猛犸象的样本比普通超市零食的“保质期”更长。
为了准确复原猛犸象染色体的特征，研究人员改进了一种名为Hi-C的基因组分析技术，来确认DNA片段之间的连接顺序。他们发现，猛犸象的遗传物质集中在28对染色体上，与它的现存后代——亚洲象（猛犸象亲缘关系最近的现生物种）和非洲象——的染色体数目相同，说明这种方法得到的结果是可靠的。
随后，研究团队进一步组装了这头猛犸象的全基因组序列，并评估了染色体更微妙的变化。通过比较猛犸象和亚洲象的染色体组，研究人员在两个物种的皮肤中识别出了数百个功能不同的基因，他们甚至定位到了一个基因簇，正是这个基因簇塑造了猛犸象标志性的毛发。随着时间的推移，猛犸象尸体往往会失去毛发，然而这具样本仍然保留着它的鲻鱼头发型，因此它还获得了“克里斯·沃德尔”（Chris Waddle，一位也留着鲻鱼头的著名英国球星）的绰号。
研究人员还不确定其他化石是否有机会保存得像这头猛犸象一样完好，但他们猜测，一些保存环境，例如可形成木乃伊的高温、干燥环境，或许也具备必要的分子条件。研究团队还测试了各种类型的牛肉，他们发现，在室温下，新鲜牛肉的染色体结构三天就会被破坏，而经过高温干燥或冻干脱水的牛肉，其染色体结构能够保持一年以上。并且这些干燥的样本非常坚硬，甚至在被汽车碾轧、被快速球击中，或是在酸液中浸泡后都能保持完整。
该研究的共同作者、丹麦哥本哈根大学的遗传学家胡安·罗德里格斯（Juan Rodríguez）认为，改进的Hi-C技术可以推广开来，用于获得更精确的基因组数据，或是帮助其他新物种重建古基因组。根据计算，这项技术理论上可以应用于200万年前的样本，但如果样本更古老，基因组上的“字母”就无法读取了。在研究古生物的DNA时，科学家通常会参考它们现存近亲的基因组，但是这种方法忽略了已灭绝物种和现生物种之间的差别。而且，如果现生物种与已灭绝物种之间存在显著的分化，或是所研究的古生物没有亲缘关系较近的现生物种，这种方法就会失效。但这项新的三维结构分析技术解决了这些问题。
“我们甚至可能无法预料（这篇文章带来的影响），”这项研究的共同作者、美国贝勒大学的计算生物学家奥莉加·杜德琴科（Olga Dudchenko）表示。她指出，毕竟自古基因组学在20世纪80年代问世以来，该领域如今的成就是当时的科学家无法想象的。研究人员祝愿同行在研究其他生物时也能遇到他们自己的“克里斯·沃德尔”。
本文选自《环球科学》2024年10月刊的“前沿”栏目
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