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Wenn viele Menschen an die Eiszeit denken, kommen ihnen Bilder von Wollhaarmammuts in den Sinn. Mammuts waren eines der symbolträchtigsten Lebewesen der Zeit vor etwa 4,8 Millionen bis 10.000 Jahren. Mit der Klimaerwärmung, gepaart mit Faktoren wie langsamem Wachstum, unzureichender Nahrung und der Jagd durch Menschen und Tiere, begann die Zahl der Mammuts jedoch rapide zu sinken. Die Überlebensrate junger Elefanten war extrem niedrig und sie starben schließlich aus.

Der Untergang der gesamten Mammutpopulation läutete das Ende einer Eiszeit ein.

Jetzt ist es einem internationalen Forschungsteam gelungen, das Genom und die dreidimensionale Chromosomenstruktur eines Mammuts zu rekonstruieren, das vor 52.000 Jahren lebte. Dies ist das erste Mal, dass eine solche Forschung anhand alter DNA-Proben durchgeführt wurde. Die Studie enthüllt, wie das Mammutgenom in Zellen organisiert war und wie bestimmte Gene im Hautgewebe exprimiert wurden. Relevante Ergebnisse erscheinen auf dem Cover der neuen Ausgabe des Cell-Magazins.

Diese beispiellose Forschung bedeutet, dass die Wiederbelebung ausgestorbener Kreaturen möglicherweise kein Traum mehr ist.

„Gefriergetrocknete“ Chromosomenfossilien sind wertvoll

Die meisten alten DNA-Proben bestehen aus sehr kleinen und „unordentlichen“ DNA-Fragmenten. Eric Lieberman Eden, Direktor des Zentrums für Genomstruktur am Baylor College of Medicine in den Vereinigten Staaten, glaubt, dass basierend auf der Kartierung der dreidimensionalen Struktur des menschlichen Genoms die richtige alte DNA-Probe gefunden werden kann, d. h. a Probe, deren dreidimensionale Struktur noch intakt ist, wird möglich sein. Die gleiche Strategie wurde verwendet, um alte Genome zusammenzusetzen.

Das Forschungsteam testete über einen Zeitraum von etwa fünf Jahren Dutzende Proben, doch die Fortschritte blieben langsam.

Bis 2018 wurde im Nordosten Sibiriens, Russland, ein außergewöhnlich gut erhaltenes Mammut ausgegraben. Das Mammut wurde kurz nach seinem Tod „gefriergetrocknet“. Da die Kernstruktur in dehydrierten Proben über einen langen Zeitraum erhalten bleiben kann, ermöglicht dieser Zustand die Erhaltung der DNA in einem glasähnlichen Zustand, wodurch die Abbauprobleme alter DNA-Proben in der Vergangenheit vermieden werden und es den Menschen heute ermöglicht wird, beispiellose strukturelle Details zu sehen.

„Die versteinerten Mammutchromosomen sind millionenfach länger als gewöhnliche alte DNA-Fragmente und stellen eine völlig neue Art von Fossil dar“, sagte Ayden.

Dieses Mammut wartet darauf, gefunden zu werden. Das Team ist gespannt darauf, Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie das Genom des Mammuts in seinen lebenden Zellen organisiert war und welche Gene im Hautgewebe aktiv waren, aus dem die DNA extrahiert wurde. Allerdings ist die „Montage“ immer noch ein Problem.

Ein 3-Milliarden-Teile-Puzzle, das zusammengesetzt werden muss

„Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Puzzle, das aus 3 Milliarden Teilen besteht, aber Sie haben noch nicht das fertige Produkt“, sagt Martin Renoum, Strukturgenomiker am Nationalen Zentrum für Genetik und Genomregulierung in Barcelona, ​​​​Spanien. „Glücklicherweise.“ Die Hi-C-Technologie ermöglicht es Ihnen, ein ungefähres Bild zu erhalten, bevor Sie die Puzzleteile zusammensetzen. Hi-C ist eine spezielle Methode, mit der das Team die Genomstruktur des Mammuts rekonstruiert. Sie extrahierten DNA aus Hautproben, die hinter den Ohren des Mammuts entnommen wurden. Mithilfe der Hi-C-Technologie konnten sie erkennen, welche Teile der DNA sich möglicherweise in unmittelbarer räumlicher Nähe befinden und in ihrem ursprünglichen Zustand im Zellkern miteinander interagieren.

Anschließend kombinierten sie die physikalischen Informationen aus der Hi-C-Analyse mit der DNA-Sequenzierung, um interagierende DNA-Segmente zu identifizieren und erstellten eine geordnete Karte des Mammutgenoms, wobei sie das Genom heutiger Elefanten als Vorlage verwendeten. Die Analyse ergab, dass Mammuts 28 Chromosomen hatten, genau wie die heutigen asiatischen und afrikanischen Elefanten.

Durch die Untersuchung der Kompartimentierung von Genen im Zellkern konnte das Team Gene identifizieren, die in den Mammuthautzellen aktiv und inaktiv waren – ein Indikator für die Epigenetik oder Transkriptomik. Die Hautzellen von Mammuts weisen andere Genaktivierungsmuster auf als die ihrer nahen Verwandten, den Asiatischen Elefanten, darunter möglicherweise Gene, die mit ihrer Körperbehaarung und Kältetoleranz zusammenhängen.

Chromosomenfossilien bieten endlose Möglichkeiten

Die in dieser Studie verwendete Methode basiert tatsächlich auf einem außergewöhnlich gut erhaltenen Fossil – die durch das Fossil erhaltene alte Chromosomenstruktur ist auf die Nanoskala genau! Das Forschungsteam ist jedoch optimistisch, dass diese Methode auch zur Untersuchung anderer alter DNA-Proben verwendet werden kann, von Mammuts bis hin zu ägyptischen Mumien, einschließlich Museumsexemplaren.

Chromosomenfossilien sind zweifellos zu einem leistungsstarken neuen Instrument zur Erforschung der Geschichte des Lebens auf der Erde geworden. Dies liegt daran, dass typische alte DNA-Fragmente selten mehr als 100 Basenpaare oder 100 „Buchstaben“ des genetischen Codes umfassen – was weitaus kleiner ist als die vollständige DNA-Sequenz eines Organismus (die oft Milliarden von „Buchstaben“ lang ist). Im Gegensatz dazu können versteinerte Chromosomen Hunderte Millionen genetischer „Buchstaben“ umfassen.

„Fossile Chromosomen verändern das Spiel“, sagte Olga Dudchenko, Assistenzprofessorin für Molekular- und Humangenetik am Center for Genome Structure am Baylor College of Medicine in den Vereinigten Staaten, denn „durch den Vergleich alter DNA-Moleküle mit den DNA-Sequenzen moderner Arten.“ „Es ist möglich, genetische Veränderungen in einzelnen ‚Buchstaben‘ in Passwörtern zu entdecken.“

Mit anderen Worten: Durch das Verständnis der Form der Chromosomen eines Organismus können Wissenschaftler die gesamte DNA-Sequenz eines ausgestorbenen Organismus zusammensetzen und so Ideen verwirklichen, die zuvor unmöglich waren.

Doch die Wiederbelebung des Mammuts ist erst der Anfang.

Kolumnenherausgeber: Qin Hong Textherausgeber: Da Xi Titelbildquelle: Tu Chong Bildherausgeber: Cao Liyuan

Quelle: Autor: Science and Technology Daily