マンモスの「ジャーキー」に5万2000年前の化石染色体が保存されている

ホルモンに刺激されて地球を闊歩する巨大なマンモスをすぐに見ることはないだろうが、この絶滅した哺乳類のゲノムについては、かなり多くのことが分かっている。国際的な科学者チームがマンモスの保存された皮膚から古代の染色体を発見した。この動物は約5万2000年前に死んだが、化石には生命の古代の構成要素の構造がナノメートルスケール、つまり10億分の1メートルまで保存されていた。この発見の詳細は、7月11日にCell誌に掲載された研究で発表され、科学者が絶滅した種のゲノムを再構築するのに染色体がどのように役立つかを示している。

「古代のDNAの小さな断片が長期間保存できることは分かっています」と、研究の共著者でコペンハーゲン大学進化ホロゲノミクスセンターの古ゲノム学者マルセラ・サンドバル＝ベラスコ氏は声明で述べた。「しかし、ここで発見したのは、これらのDNA断片の3次元配列が何万年もの間その場で凍結され、染色体全体の構造が保存されていたサンプルです。」

52,000年前の遺伝物質

このような化石染色体は、科学者に地球上の生命の歴史を研究する新しい方法を提供します。通常、古代の DNA 断片は 100 塩基対、つまり 100 文字の遺伝コードより長くはありません。マンモスの親戚であるゾウの完全な DNA 配列は通常約 32 億塩基対で、数十億文字の長さです。これらのより一般的に見られる DNA 断片は、ゾウの遺伝コードのほんの一部にすぎません。しかし、化石染色体は数億の遺伝文字に及ぶことがあります。

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「古代のDNA分子を現代の生物種のDNA配列と比較することで、遺伝子コードの1文字が変化した例を見つけることができる」と、研究の共著者でベイラー医科大学のゲノム学者オルガ・ドゥドチェンコ氏は声明で述べた。「化石染色体は画期的なものだ。生物の染色体の形状を知ることで、絶滅した生物のDNA配列全体を組み立てることができるからだ。これにより、これまでは不可能だった種類の洞察が可能になる。」

これらの染色体の化石はマンモスのものであることから、最初のステップの 1 つは、この動物が生きていたときに持っていた染色体の数を決定することでした。

「マンモスの染色体は28対あることが分かりました。これは非常に理にかなっています。なぜなら、現代のゾウも28対の染色体を持っており、マンモスはマンモスに最も近い現生種だからです」と、コペンハーゲン大学およびバルセロナ国立ゲノム分析センターの研究共著者でゲノム学者のフアン・アントニオ・ロドリゲス氏は声明で述べた。「絶滅した生物の染色体を初めて数えることができて、とても興奮しました。1から28まで単純に数えるだけで、これほど楽しいことは普通はできません」

大きな哺乳類、小さな粒子

研究チームは、2018年に発見されたマンモスの皮膚から化石染色体を抽出した。これにより、染色体区画化と呼ばれる現象を通じて、どの遺伝子が活性化しているかがわかった。これは、活性DNAと不活性DNAが細胞核内の2つの空間領域に分かれる傾向がある状態である。マンモスの遺伝子のほとんどにおいて、活性状態は研究者が現代のゾウで観察したものと一致している。しかし、常にそうだったわけではない。

「これらの化石に区画化がまだ保存されていたという事実は重要でした。なぜなら、これによって、マンモスでどの遺伝子が活動していたかを初めて調べることが可能になったからです」と、研究の共著者で進化ホロゲノミクスセンター所長のトーマス・ギルバート氏は声明で述べた。「そして、毛包の発達を制御する重要な遺伝子があり、その活動パターンはゾウとはまったく異なることが判明しました」

研究チームが染色体の内側を観察したところ、単なる区画化以上のものを発見した。染色体は現代の染色体といくつかの構造的特徴を共有していた。最も顕著な共通点は、最小のクロマチンループだった。これらの構造は50ナノメートルほどの大きさで、ウイルスとほぼ同じ大きさだ。

「これらの古代染色体におけるループの存続は、おそらく最も印象的な部分です」と、研究の共著者でスペインのゲノム規制センターのゲノム学者であるマーク・A・マルティ・レノム氏は声明で述べた。「わずか50ナノメートルの大きさのDNAループは、活性化DNA配列を遺伝子標的に近づける点で重要です。したがって、これらの化石はどの遺伝子が活性化していたかを示すだけでなく、なぜ活性化していたのかを示してくれます。」

フリーズドライのマンモスの「ジャーキー」

しかし、まだ謎が残っていました。古代の染色体の DNA 断片が、その 3 次元構造を保ったまま 5 万年以上も生き延びることができたのはなぜでしょうか。研究チームは、染色体の化石がガラス内の分子の状態、つまりクロモグラスと呼ばれる特殊な状態に似ていることを発見しました。

「クロモグラスは窓ガラスによく似ています。硬いのですが、整然とした結晶ではありません」と、研究の共著者でゲノムアーキテクチャセンター所長、ベイラー医科大学のエレズ・リーバーマン・エイデン教授は声明で述べた。「個々の粒子を拡大すると、ガラス片、あるいはクロモグラス片は、基本的に車線標示のない世界での、バンパーからバンパーまでのナノスケールの交通渋滞です。そのような状況では、個々の粒子、あるいは古代DNAの個々の断片は、それほど遠くまで移動できません。たとえ何千年も待ったとしてもです。」

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長い時間をかけて、多くの文明が、食品の保存のために「ガラス転移」を引き起こす方法を編み出しました。通常、冷却と脱水の組み合わせによって、ビーフジャーキーのような食品が生まれます。ビーフジャーキーは元の食品よりも脆くなりますが、より長持ちします。研究者たちは、染色体の化石が基本的にフリーズドライされたマンモスのジャーキーの中に閉じ込められていたことを発見しました。

「私たちはこの理論を、マンモスのジャーキーよりもずっと見つけやすい古いフリーズドライのビーフジャーキーで実験して確認しました」と、論文共著者でベイラー大学のゲノム学者シンシア・ペレス・エストラーダは声明で述べている。「ショットガンで撃ちました。車で轢きました。ヒューストン・アストロズの元先発投手に速球を投げてもらいました。そのたびにジャーキーはガラスのように粉々に砕けました。しかし、ナノスケールでは染色体は無傷で変化していませんでした。それがこれらの化石が生き残れる理由です。それが、5万2千年後もそこにあり、私たちが発見するのを待っていた理由です。」