Frysningstorkning förvandlade en ullhärent DNA till 3-D 'chromoglass'

Biffjerky och några ullhästar har åtminstone en sak gemensamt: Utorkning förvandlar deras DNA till superhård glas.

Det glasartade DNA:t är så stabilt att det bevarade kromosomernas tredimensionella struktur hos en ullhäst i 52 000 år, uppgav forskare den 11 juli i Cell. Upptäckten gav forskarna en oöverträffad inblick i det utdöda djurets genetiska instruktionsbok, eller genom, och avslöjade till och med gener som var på- och avstängda innan ullhästen dog, säger genomikern och neurovetenskapsmannen Cynthia Pérez Estrada. Om andra välbevarade prover kan hittas kan glimtar av genaktivitet hjälpa vetenskapsmännen att förstå hur utdöda organismer fungerade, inte bara hur de såg ut.

Den detaljerade undersökningen av ullhästens genom möjliggjordes efter att en internationell forskargrupp lyckades anpassa en teknik som kallas Hi-C för att undersöka forntida DNA (SN: 8/24/15).

”Jag har känt till Hi-C ett tag nu. Jag kunde bara inte tänka mig hur du skulle använda det på forntida DNA,” säger Christina Warinner, biomolekylär arkeolog vid Harvard University som inte var involverad i studien.

Det beror på att DNA smulas sönder över tiden. Det var svårt att föreställa sig att de små bitarna av forntida DNA kunde behålla kromosomens form, säger Warinner. Och Hi-C, som används för att titta på strukturen av meter DNA packat i en cells cellkärna, kräver vanligtvis färska, intakta prover (SN: 6/10/21).

Inte ens Pérez Estradas kollegor, som arbetar med 3-D struktur av DNA vid Baylor College of Medicine i Houston, var övertygade om att sådana tekniker kunde fungera på degraderade prover. Pérez Estrada trodde att det kunde fungera, så hon testade Hi-C på kalkonsben som var över som Thanksgiving-middagsrester, på vävnad från en uttorkad råtta hon hittade på vägen till jobbet, och på en bit läder från hennes väska.

”Alla dessa experiment var fascinerande, eftersom de faktiskt visade att DNA:s struktur är ganska tålig,” säger hon. ”Och trots att det kokades, och trots solen och miljön när det gäller råttan, var DNA:s struktur fortfarande intakt.”

Men hon visste inte om strukturen kunde hålla i tusentals år. Så hon bildade team med Marcela Sandoval-Velasco, då vid University of Copenhagen. Sandoval-Velasco hade arbetat med forntida DNA i flera år och var intresserad av att undersöka 3-D-strukturer. Hon tog med sig ”en påse full av underverk” - museumspecimen av myror, bin, coelacanths, fiskar, reptiler, fåglar och djur - till Houston för testning, säger Perez Estrada. Och Pérez Estrada besökte Köpenhamn, där forskarna utforskade forntida isbjörnsskallar och en mumifierad varg.

Experimenten misslyckades ofta. Hi-C-metoden som användes på färska prover fungerade inte för forntida prover, så en ny version - som de kallade PaleoHi-C - var tvungen att uppfinnas. Det är forskning, säger Sandoval-Velasco, som nu är vid National Autonomous University of Mexico i Cuernavaca. ”Det går långsamt. Det är iterativt. Det är fullt av misslyckanden, och det handlar om att inte ge upp.” Teamarbete hjälper också, säger hon. Mer än 50 forskare med olika kompetensområden samlades för studien.

Efter år av delvis framgång och misslyckande fick teamet tillgång till hud från huvudet på en ullhäst som dog i Sibirien för cirka 52 000 år sedan. Ullhästen var frys-torkad och bevarad i permafrost.

Snabb torkning hade låst det forntida DNA:t i ett tätt molekylärt tillstånd liknande glas, kallat kromoglas. Genetikerna och ett team av teoretiska fysiker drog slutsatsen att kromoglasstrukturen förhindrade att DNA-bitarna drev isär från varandra.

I okonventionella experiment med laboratorieframsatt biffjerky fann teamet att sådant glasartat DNA kan förbli stabilt i minst ett år i rumstemperatur och stå emot olika skador, inklusive att bli mikrovågsuppvärmt, kört över med en bil, krossat med en baseboll samt beskjutet med hagelgevär.

Ullhästens glasartade DNA låste dess kromosomer på plats. För första gången kunde forskarna räkna antalet kromosomer en ullhäst har - 28 par, precis som elefanter, sa Erez Lieberman Aiden, en genetiker vid Baylor College of Medicine, vid en presskonferens den 2 juli. Ullhästar har också samma grundläggande kromosomstruktur som elefanter.

Kromosomer packade i cellkärnan liknar en nystan garn efter att en katt har lekt med det. Den ruggiga uppenbarelsen döljer den väl organiserade strukturen inuti.

Gener som är påkopplade flyttas till en subcellulär compartment precis som dansare tar dansgolvet, medan gener som ska stängas av förblir udda i ett annat compartments. Genom att undersöka compartmenten fann forskarna 425 gener som var aktiva i ullhästar men inte i elefanter och 395 gener som var påslagna i elefanter men inte i ullhästar.