Dit stelt wetenschappers in staat om het genoom nauwkeurig te reconstrueren, wat van groot belang kan zijn voor het weer tot leven wekken van de uitgestorven mammoet.
Wolharige mammoeten waren majestueuze wezens met imposante slagtanden en een dikke vacht. Ze bevolkten de aarde gedurende het grootste deel van het Pleistoceen tijdperk. Ongeveer 52.000 jaar geleden legde één van deze iconische dieren het loodje. En nu hebben onderzoekers in het goed bewaarde huidmonster van deze mammoet, die in 2018 werd opgegraven uit Siberische permafrost, een zeer bijzondere ontdekking gedaan. “Voor het eerst hebben we gefossiliseerde, oude chromosomen ontdekt,” vertelt onderzoeker Marcela Sandoval-Velasco in gesprek met Scientias.nl. “We hadden nooit gedacht dat zoiets mogelijk zou zijn!”
Oud DNA
Dankzij de vondst zijn onderzoekers er nu voor het eerst in geslaagd om het genoom en de 3D-chromosomale structuren te reconstrueren van de wollige mammoet die 52.000 jaar geleden leefde. Dat komt doordat de de structuur van de oude chromosomen nauwkeurig behouden zijn gebleven op een schaal van nanometers (miljardste meters). “We wisten al dat kleine stukjes oud DNA lange tijd intact kunnen blijven,” vertelt Sandoval-Velasco. “Maar wat we hier hebben gevonden is een monster waarbij de driedimensionale rangschikking van deze DNA-fragmenten tientallen millennia bevroren bleef, waardoor de structuur van het hele chromosoom bewaard is gebleven.”
3D-reconstructie
Dat onderzoekers een 3D-reconstructie konden maken, is heel bijzonder. “De 3D-reconstructie geeft ons een kijkje in hoe de chromosomen ruimtelijk georganiseerd zijn en werpt licht op de evolutionaire processen die gedurende duizenden jaren de genetica van mammoeten hebben gevormd,” legt Sandoval-Velasco uit. “De manier waarop genen gerangschikt zijn binnen de celkern is essentieel om te begrijpen hoe ze met elkaar interageren, en hoe deze interacties de expressie van genen en uiteindelijk het fenotype beïnvloeden.”
Fossiele chromosomen vormen een krachtig nieuw middel om de geschiedenis van het leven op aarde te bestuderen. Dat komt omdat normale fragmenten van oud DNA meestal korter dan 100 basenparen zijn, wat veel kleiner is dan de volledige DNA-sequentie van een organisme, die vaak miljarden basenparen lang is. In tegenstelling hiermee kunnen fossiele chromosomen honderden miljoenen basenparen beslaan.
Omdat de fossiele chromosomen van een mammoet afkomstig waren, was een van de eerste stappen van het team het bepalen van het aantal chromosomen dat de wolharige mammoet bezat. En de onderzoekers ontdekten 28 chromosomen – hetzelfde aantal als hedendaagse Aziatische en Afrikaanse olifanten.
28 chromosomen
“Dit is heel belangrijk nieuws,” licht Sandoval-Velasco toe. “Allereerst omdat we tot nu toe nog niet zeker wisten hoeveel chromosomen mammoeten hadden. Het aantal en de structuur van chromosomen hebben invloed op hoe genen tot expressie komen en worden gereguleerd. Daarom is het tellen van het aantal chromosomen een belangrijke stap vooruit. Dit is cruciaal om specifieke genetische eigenschappen te identificeren die verbonden zijn met de uiterlijke en aanpassingskenmerken van de wolharige mammoet. Door het chromosoomaantal te bevestigen, kunnen we beter onderzoeken hoe genen binnen het mammoetgenoom met elkaar interageren en functioneren én krijgen we inzicht in hun biologie en aanpassingsmechanismen. Het vergelijken van chromosoomstructuren tussen mammoeten en olifanten kan bovendien belangrijke evolutionaire gebeurtenissen aan het licht brengen die hebben bijgedragen aan het ontstaan van verschillende soorten.”
Actieve en inactieve genen
De ontdekking van de intacte chromosomen biedt cruciale inzichten in hoe het genetische materiaal was georganiseerd. Dit betekent dat onderzoekers nu voor het eerst gedetailleerd in kaart konden brengen welke genen actief waren en welke genen inactief waren. “We ontdekten dat meer dan 800 genen verschillend gereguleerd waren in de mammoet vergeleken met de Aziatische olifant,” vertelt Sandoval-Velasco. “Dit wijst op specifieke genetische aanpassingen en processen die uniek zijn voor de wolharige mammoet. Wat heel opvallend was, was dat dat bepaalde genen die normaal betrokken zijn bij de groei van haarfollikels, inactief waren. Dit suggereert veranderingen in genetische processen die mogelijk hebben bijgedragen aan de aanpassing van wolharige mammoeten aan koude omgevingen.”
Mammoet tot leven wekken
De vondst van de gefossiliseerde chromosomen heeft verstrekkende implicaties. Zo zou dit weleens heel nuttig kunnen zijn voor pogingen om de wolharige mammoet weer tot leven te wekken. “De ontdekking van de 3D-structuur van oude chromosomen draagt aanzienlijk bij aan ons begrip van de genetische samenstelling van de wolharige mammoet,” legt Sandoval-Velasco uit. “Hierdoor kunnen wetenschappers het genoom van de mammoet nauwkeuriger reconstrueren, wat van cruciaal belang kan zijn voor degenen die werken aan projecten om uitgestorven dieren weer terug te brengen. De bredere implicaties omvatten echter ethische, ecologische en technische overwegingen die zorgvuldig moeten worden geëvalueerd. Hoewel de ontdekking de wetenschappelijke basis voor het terugbrengen van uitgestorven soorten versterkt, benadrukt het ook de complexiteit van deze inspanningen en onderstreept het belang van uitgebreid onderzoek en discussie.”
Glasachtige toestand
Hoewel de onderzoekers erg enthousiast zijn over hun ontdekking, bleven ze met één hele prangende vraag zitten. Want hoe konden de DNA-fragmenten van oude chromosomen 52.000 jaar lang overleven met hun driedimensionale structuur intact? Onder normale omstandigheden zouden de chromosoomfossielen eigenlijk niet moeten bestaan. Op zoek naar een antwoord, ontdekten de onderzoekers dat de chromosoomfossielen zich in een zeer speciale toestand bevonden. Waarschijnlijk bleven de chromosomen behouden omdat de mammoet kort na zijn dood werd gevriesdroogd, waardoor zijn DNA in een glasachtige toestand bewaard bleef. En de nucleaire structuur in een gedehydrateerd monster kan extreem lang intact blijven.
Wolharige mammoetjerky
Het is niet onrealistisch om te denken dat de mammoetoverblijfselen in een glasachtige toestand bewaard zijn gebleven. Zonder het te beseffen ontwikkelden veel beschavingen manieren om een ‘glasovergang’ te induceren om voedsel langer goed te houden, meestal door een combinatie van koelen en drogen. Zo ontstonden voedingsmiddelen zoals tortillachips en beef jerky, die weliswaar broos zijn maar veel langer houdbaar blijven. Kortom, de onderzoekers ontdekten dat de chromosoomfossielen bewaard waren gebleven in een stuk gevriesdroogde ‘wolharige mammoetjerky’.
Om te testen of chromosomen op deze manier daadwerkelijk bewaard blijven, hebben de onderzoekers experimenten uitgevoerd. Ze schoten met een pistool op oud, gevriesdroogd rundvleesjerky, reden er met een auto overheen en lieten een voormalige pitcher van de Amerikaanse honkbalclub Houston Astros er een bal op gooien. Elke keer brak de jerky in kleine stukjes – versplinterend als glas. Maar op nanoschaal bleven de chromosomen intact. Dit verklaart waarom de ontdekte fossielen 52.000 jaar lang wisten te overleven.
“Dit is echt een baanbrekende studie,” onderstreept Sandoval-Velasco. “De studie van oud DNA en oude genomen, bekend als paleogenomica, heeft zich gedurende vier decennia erg ontwikkeld, waardoor wetenschappers de evolutionaire geschiedenis van talloze soorten kunnen onderzoeken. Deze recente doorbraak markeert echter een nieuwe fase in de paleogenomica en breidt de grenzen van het vakgebied verder uit.”
Basis
De studie laat zien dat het mogelijk is om de 3D-structuur en -functie van chromosomen te bestuderen in uitgestorven soorten of soorten waarvan vers DNA niet gemakkelijk beschikbaar is. “Deze vooruitgang legt de basis voor toekomstig onderzoek naar oud DNA, waarmee wetenschappers de genomische organisatie en genregulatie kunnen verkennen,” stelt Sandoval-Velasco. “Het is een baanbrekende prestatie die gebruik maakt van geavanceerde technologieën en methoden, en die ongekende inzichten biedt en nieuwe mogelijkheden opent voor de studie van oude genetica en evolutionaire geschiedenis.”
Kortom, de reconstructie van de mammoetchromosomen opent nieuwe deuren voor het begrijpen van de geschiedenis van het leven op aarde. “Het laat zien hoe we met behulp van moderne technieken oud DNA kunnen onderzoeken,” aldus Sandoval-Velasco. “Hierdoor ontstaan er nieuwe mogelijkheden voor paleogenomisch onderzoek. Ook kunnen we nu een veel dieper begrip krijgen van de biodiversiteit in vervolgen tijden.”
