Un equip internacional, liderat pel Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica (CNAG), amb seu al Parc Científic de Barcelona, i el Centre de Regulació Genòmica, el Baylor College of Medicine (Estats Units) i la Universitat de Copenhaguen, ha descobert fòssils de cromosomes antics a les restes d’un mamut llanut que va morir fa 52.000 anys. Els cromosomes fòssils tenen molta més informació que els tipus d’ADN antic que coneixíem fins ara, i també aporten evidències sobre quins gens estaven actius. Aquesta fita científica, publicada a la revista Cell, permet l’assemblatge de genomes d’espècies extingides.

El descobriment compta amb la participació dels doctors Marc A. Martí-Renom, professor de recerca ICREA i cap de grup al CNAG i el CRG, i Juan Antonio Rodríguez, investigador al CNAG i la Universitat de Copenhaguen.

“Hem descobert que els petits fragments d’ADN antic poden sobreviure al llarg de moltíssim temps,” apunta la Dra. Marcela Sandoval-Velasco, del Center for Evolutionary Hologenomics de la Universitat de Copenhaguen i coautora principal del nou estudi. “I no sols això. El que hem trobat aquí és una mostra on la disposició tridimensional d’aquests fragments d’ADN es va congelar intacta al seu lloc quedant-se així durant desenes de mil·lennis, preservant d’aquesta manera l’estructura del cromosoma complet.”

Els cromosomes fòssils són una nova eina molt potent per a estudiar la història de la vida a la Terra. Això es deu al fet que els fragments típics d’ADN antic rarament superen l’extensió de 100 parells de bases, o 100 lletres de codi genètic, molt més curts que la seqüència completa d’ADN d’un organisme, que sovint és de milers de milions de lletres. En canvi, els cromosomes fòssils poden arribar a fer centenars de milions de lletres genètiques.

“Si comparem molècules d’ADN antic amb les seqüències d’ADN d’espècies modernes, és possible trobar casos on les lletres individuals del codi genètic han canviat,” afirma la coautora principal i coautora corresponent Dra. Olga Dudchenko, professora adjunta de genètica molecular i humana en The Center for Genome Architecture de Baylor College of Medicine i investigadora en el Center for Theoretical Biological Physics en Rice University. “Els cromosomes fòssils han canviat les regles del joc, perquè conèixer la forma dels cromosomes d’un organisme fa possible l’assemblatge de la seqüència completa d’ADN d’espècies que es van extingir. Això ens permet obtenir informació que no teníem fins ara.”

Atès que els cromosomes fòssils pertanyien a un mamut llanut, una de les primeres coses que va fer l’equip va ser determinar el nombre de cromosomes que tenia. “Vam trobar que tenen 28 parells de cromosomes, la qual cosa té molt sentit, perquè això és el que tenen els elefants moderns, i són els parents vius més pròxims del mamut llanut,” explica el Dr. Juan Antonio Rodríguez, coautor principal de l’estudi i investigador en el CNAG i la Universitat de Copenhaguen. “Va ser extremadament emocionant poder comptar els cromosomes d’una criatura extinta per primera vegada. Usualment, no és possible divertir-se tant simplement comptant de l’u al vint-i-vuit.”

Els cromosomes fòssils aporten informació sobre quins gens estaven actius

Quan es van examinar els cromosomes fòssils, que provenen de la pell del mamut, va ser possible veure quins gens estaven actius. Això es deu a un fenomen anomenat compartimentalizació cromosòmica: el fet que l’ADN actiu i inactiu tendeix a segregar-se en dos espais contigus dins del nucli cel·lular. Per a la majoria dels gens, l’estat d’activitat coincideix amb el que l’equip de recerca va veure en la pell dels elefants moderns. Però no sempre. “La pregunta òbvia per a nosaltres va ser: per què és un ‘mamut llanut’? Per què no és un ‘mamut sorprenentment calb’?”, observa el Dr. Thomas Gilbert, director del Center for Hologenomics i coautor corresponent de l’article. “El fet que la compartimentalizació del genoma encara es preservés en aquests fòssils va ser crucial, perquè va fer possible observar, per primera vegada, quins gens estaven actius en un mamut llanut. I resulta que hi ha gens clau que regulen el desenvolupament del fol·licle pilós el patró d’activitat del qual és totalment diferent del dels elefants.”

La compartimentalizació no va ser l’única cosa que va observar l’equip de recerca en la forma d’aquests cromosomes antics. De fet, els cromosomes compartien moltes característiques estructurals amb els cromosomes moderns. La més espectacular d’aquestes característiques va ser també la més diminuta: els bucles de cromatina, estructures petites d’aproximadament 50 nanòmetres, que l’equip de Baylor ja havia analitzat en humans per primera vegada feia només 10 anys.

“La supervivència dels bucles en aquests cromosomes antics és potser la part més impressionant,” subratlla el Dr. Marc A. Martí-Renom, coautor corresponent de l’estudi i líder del grup de Genòmica Estructural en el CNAG i el CRG. “Els bucles d’ADN, que només mesuren 50 nanòmetres, són importants perquè acosten les seqüències d’ADN activadores als seus objectius genètics. Per tant, aquests fòssils no sols ens mostren quins gens estaven actius, sinó també per què.”

El permagel siberià, clau per a la conservació de l’estructura dels cromosomes

No obstant això, l’equip de recerca es va trobar amb un enigma: com podrien els fragments d’ADN de cromosomes antics sobreviure durant 52.000 anys amb la seva estructura tridimensional intacta? Després de tot, en 1905 – el seu ‘annus mirabilis’, o ‘any miraculós’ – Albert Einstein va publicar un article calculant la velocitat a la qual tendeixen a moure’s les petites partícules, com podrien ser fragments d’ADN, a través d’una substància. “El treball d’Einstein fa una predicció molt simple sobre els fòssils de cromosomes antics: en circumstàncies normals, no haurien d’existir,” revela la Dra. Dudchenko. “I, no obstant això, aquí estan. Era un misteri de la física!”.

Per a explicar aquesta aparent contradicció, l’equip de recerca es va adonar que els cromosomes fòssils estaven en un estat molt especial, que s’assembla molt a l’estat de les molècules en el vidre. “El vidre és molt semblant al cristall de la teva finestra: és rígid, però no és un cristall ordenat,” assenyala el Dr. Erez Lieberman Aiden, coautor corresponent de l’estudi, director del Center for Genome Architecture i professor en el Baylor College of Medicine. “Si fas zoom en les partícules individuals, un tros de vidre és bàsicament com un embús de trànsit a escala nanomètrica, en un món on no hi ha carrils. Les partícules individuals, o els fragments individuals d’ADN antic, simplement no tenen a on anar en aquesta situació, encara que esperem milers i milers d’anys.”

La idea que les restes del mamut, que es van trobar preservats en el permagel siberià, es van conservar en un estat similar al vidre no és tan forassenyada. Sense adonar-se’n, moltes civilitzacions han desenvolupat maneres d’induir aquesta “transició vítria” en els seus aliments com una manera de conservar-los, generalment mitjançant una combinació de refredament i deshidratació. Això succeeix en alguns aliments que tots coneixem, com la carn seca o la cecina que són més trencadissos que l’aliment original, però que duren molt més. I és per això que la transició vítria s’ha convertit en un concepte clau per a la comunitat científica en l’alimentació moderna. Essencialment, l’equip de recerca va descobrir que els fòssils de cromosomes havien quedat atrapats dins d’un tros de carn seca de mamut liofilitzada.

“Confirmem aquesta teoria fent experiments amb carn seca de vedella, que és molt més fàcil de trobar que la de mamut llanut,” destaca la Dra. Cynthia Pérez Estrada, coautora principal de l’estudi i investigadora en The Center for Genome Architecture i en el Rice University’s Center for Theoretical Biological Physics. “De fet, la vàrem disparar amb una escopeta. Passàrem sobre ella amb un cotxe. I vam fer que un ex llançador dels Houston Astres li llancés una bola ràpida. En cada ocasió, la carn seca es trencava en petits fragments, fent-se miques com un cristall. Però a nanoescala, els cromosomes estaven intactes, sense canvis. Aquesta és la raó per la qual aquests fòssils van sobreviure. És la raó per la qual aquests fòssils eren allí, cinquanta-dos mil anys després, esperant que els trobéssim.”

» Article de referència:  Sandoval-Velasco, Marcela, et al. ‘Three-Dimensional Genome Architecture Persists in a 52,000-Year-Old Woolly Mammoth Skin Sample’. Cell, vol. 187, no. 14, July 2024, pp. 3541-3562.e51. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.06.002

» Enlace a la noticia: web del CNAG [+]

Obra de l’artista Binia De Cahsan per a la portada de la revista Cell.