Wyizolowali najstarsze RNA świata. Olbrzym skrywał coś zaskakującego
Zamarznięty w syberyjskiej wiecznej zmarzlinie młody mamut włochaty okazał się skrywać coś więcej niż dobrze zachowaną skórę i sierść. Naukowcy wyizolowali z jego tkanek najstarsze znane RNA - cząsteczki, które pokazują, jakie geny były włączone w ostatnich godzinach życia zwierzęcia. To przełom, który otwiera nową epokę w badaniach wymarłych gatunków i dawnych wirusów.
Bohaterem nowych badań jest Yuka - ciało młodego mamuta włochatego Mammuthus primigenius znalezione w 2010 r. w klifie wiecznej zmarzliny nad wybrzeżem Morza Łaptiewów na Syberii. Zwierzę miało ok. 5 do 10 lat i żyło mniej więcej 39-40 tys. lat temu. Jego ciało, z zachowaną sierścią, tkankami mięśniowymi, a nawet mózgiem, uchodzi za jedno z najlepiej zachowanych mamucich znalezisk.
Zespół kierowany przez Emilio Mármola z Uniwersytetu Kopenhaskiego i Lovego Daléna ze Stockholm University oraz Centre for Palaeogenetics postanowił sprawdzić, czy w takiej tkance może przetrwać nie tylko DNA, ale także dużo delikatniejsze RNA. Próbki mięśni i skóry z 10 mamutów trafiły do ultraczystych laboratoriów, gdzie badacze próbowali wyłuskać z nich pojedyncze, krótkie fragmenty cząsteczek.
"Z RNA można uzyskać dostęp do rzeczywistej biologii komórki czy tkanki, dziejącej się w czasie rzeczywistym w ostatnich momentach życia organizmu" - zauważa Emilio Mármol, genetyk, lekarz weterynarii i bioinformatyk z Globe Institute Uniwersytetu Kopenhaskiego, cytowany przez serwis Reuters. Jak dodaje w rozmowie ze "Scientific American": "To migawka z ostatnich minut lub godzin życia Yuki".
Z dziesięciu badanych mamutów tylko trzy dały wyraźne ślady starożytnego RNA, datowanego na 39-52 tys. lat. Najwięcej informacji przyniosły właśnie mięśnie przedniej lewej nogi Yuki.
RNA kontra DNA u mamutów
Przez dekady większość tego, co wiemy o wymarłych gatunkach, pochodziła z analiz DNA albo białek. DNA to pełen zestaw przepisów - zapis wszystkich genów organizmu. RNA jest czymś innym: to robocze kopie fragmentów DNA i cząsteczki regulacyjne, które mówią komórkom, które geny mają w danej chwili włączyć, a które wyłączyć.
"Z kilkoma wyjątkami wszystkie komórki w ciele mają to samo DNA, ale różnią się tym, jakie RNA jest w nich aktywne" - tłumaczy Love Dalén, paleogenetyk ze Stockholm University, w rozmowie ze "Science". To właśnie RNA sprawia, że komórka wątroby różni się od komórki mięśniowej, a neuron od komórki skóry.
Problem w tym, że RNA jest znacznie bardziej kruche niż DNA. Cząsteczka jest jednoniciowa i bardzo łatwo niszczona przez enzymy. "Jeśli zajrzeć do podręczników biologii molekularnej, można przeczytać, że RNA degraduje się w ciągu minut lub godzin po śmierci" - tłumaczy Dalén dla serwisu "Science". Dlatego przez lata mało kto w ogóle próbował go szukać w bardzo starych próbkach.
Mimo to w ostatniej dekadzie badacze zaczęli podważać ten dogmat. Udało się znaleźć RNA w zwęglonych zbożach, w tkankach 5300-letniej mumii lodowej, a także w ciele wymarłego tygrysa tasmańskiego sprzed 132 lat oraz w szczenięciu wilka, które zmarło ok. 14 tys. lat temu. Yuka bije jednak te rekordy: to najstarsze znane RNA wyizolowane z organizmu zwierzęcego.
Co zdradzają geny stresu w mięśniach mamuta?
W mięśniach Yuki zespół Mármola zidentyfikował setki cząsteczek informacyjnego RNA (mRNA), które kodują białka odpowiedzialne za skurcz mięśni i metabolizm energii. Odkryto także różne rodzaje RNA niekodującego, w tym mikroRNA regulujące pracę genów. Część z nich okazała się nowa - to mikroRNA unikalne dla mamutów i słoni.
W danych pojawiły się także charakterystyczne fragmenty RNA związane z reakcją komórek na stres. "Możemy powiedzieć, że życie Yuki tuż przed śmiercią było dość stresujące i że zostało to odciśnięte w molekularnym krajobrazie jej mięśni" - mówi Emilio Mármol w rozmowie z "National Geographic".
Yuka ma głębokie zadrapania na zadzie, interpretowane jako ślady po ataku lwa jaskiniowego Panthera spelaea albo padlinożernym żerowaniu po śmierci. "To mógł być atak lwów jaskiniowych podczas pościgu, ale równie dobrze mięśnie mogły być przeciążone, jeśli zwierzę utknęło w błocie i próbowało się wydostać" - zastrzega Dalén w wywiadzie dla stacji NPR.
Co ciekawe, RNA pozwoliło też rozwikłać zagadkę płci słynnego mamuta. Przez lata Yuka uchodziła za samicę, sądząc po cechach anatomicznych. Tymczasem badacze znaleźli w jej tkankach fragmenty RNA pochodzące z genów znajdujących się na chromosomie Y. Analiza DNA potwierdziła, że zwierzę miało zestaw chromosomów XY. "Genetycznie Yuka był zdecydowanie samcem" - mówi Dalén w rozmowie z NPR.
Nowe okno na ewolucję i wyginięcie mamutów
Połączenie informacji z DNA i RNA pozwala nie tylko odtworzyć, jakie geny dany gatunek miał, ale także jak były używane w różnych tkankach i sytuacjach. Dzięki temu naukowcy liczą, że uda się lepiej zrozumieć, jak mamuty rosły, jak adaptowały się do zimnego klimatu i jak reagowały na infekcje czy zmiany środowiska. Maanasa Raghavan, paleogenetyczka z University of Chicago, która nie brała udziału w badaniach, nazywa pracę "fantastyczną pod względem przełamywania barier technologicznych" i sugeruje, że w przyszłości podobne analizy mogą pomóc odpowiedzieć na pytanie, co doprowadziło mamuty do wyginięcia.
Jednym z najbardziej kuszących celów byłoby zbadanie RNA z mieszków włosowych mamutów. "Gdyby udało się znaleźć starożytne RNA w cebulkach włosowych, moglibyśmy lepiej zrozumieć ścieżki genetyczne, które włączały geny odpowiedzialne za wełniste futro" - wskazuje Dalén w rozmowie z "National Geographic". "Kto nie chciałby wiedzieć, jakie geny uczyniły mamuta włochatym" - dodaje.
W ostatnich latach dużo mówi się o projektach "wskrzeszania" mamutów za pomocą inżynierii genetycznej słoni. Jednym z najbardziej medialnych jest Colossal Biosciences, z którą współpracuje część autorów pracy w "Cell". Dalén podkreśla jednak, że RNA wyizolowane z Yuki nie ma bezpośredniego zastosowania w takich planach.
Wieczna zmarzlina jako kapsuła czasu i potencjalne zagrożenie
Odkrycie RNA u mamuta Yuka nie byłoby możliwe, gdyby nie wyjątkowe warunki panujące w wiecznej zmarzlinie północnej Syberii. Niskie temperatury i brak tlenu działają jak naturalna zamrażarka, która niemal natychmiast po śmierci zwierzęcia zatrzymała rozkład jego tkanek i cząsteczek.
To właśnie w takich warunkach udało się wcześniej wydobyć najstarsze znane DNA - z osadów w Grenlandii liczących około 2 mln lat - oraz białka z zęba bezrogiego nosorożca z Kanadyjskiej Arktyki sprzed 23 mln lat. Yuka dołącza do tej listy jako rekordzista w kategorii RNA.
Zachowane RNA interesuje jednak nie tylko badaczy mamutów. Cząsteczki te są materiałem genetycznym wielu wirusów, w tym koronawirusów i wirusa grypy. Oliver Smith, archeolog sądowy, który wcześniej współodkrył rekordowe starożytne RNA z "wilczego" szczenięcia, uważa, że nowe wyniki pokazują, iż "potencjał poszukiwania wirusów RNA w sytuacjach związanych z wieczną zmarzliną jest całkowicie realny".
Na razie w tkankach Yuki zespół nie znalazł wyraźnych śladów dawnych infekcji - młody mamut miał pod tym względem dość czyste konto. Naukowcy liczą jednak, że w innych dobrze zachowanych szczątkach uda się kiedyś znaleźć genomy bardzo starych wirusów RNA. Jak podkreśla María Ávila Arcos z Narodowego Uniwersytetu Autonomicznego Meksyku, cytowana przez NPR, to ważne, bo "jeśli chcemy zrozumieć ewolucję takich wirusów jak Ebola, COVID i grypa i to, jak wpływały na populacje w przeszłości, musimy być w stanie odzyskiwać ich materiał genetyczny z dawnych próbek".
Badacze podkreślają, że nie oznacza to automatycznie zagrożenia masowym "odmrażaniem" starożytnych patogenów wraz z ocieplaniem klimatu. Chodzi raczej o to, by dzięki takim znaleziskom lepiej zrozumieć, które wirusy mogą potencjalnie przetrwać w wiecznej zmarzlinie przez dziesiątki tysięcy lat i jakie luki mamy w wiedzy o ich ewolucji.
