Список генетических различий между шерстистыми мамонтами и слонами показывает, как эти гиганты ледникового периода выдерживали холод.

В отличие от своих двоюродных братьев слонов, шерстистые мамонты были творениями холода, с длинными мохнатыми шубами, толстыми слоями жира и маленькими ушами, что делало минимальной потерю тепла. Сначала ученые подробно каталогизировали сотни генетических мутаций, ставших источником различий

Исследование показывает, как шерстистые мамонты (Mammuthus primigenius) эволюционировали от их общего с азиатскими слонами (Elephas maximus) предка. Это может послужить рецептом для создания слонов, способных выживать в Сибири.

«Эти гены могли бы понадобится в слоновьем геноме для создания животного, которое было бы главным образом слоном, но в действительности было бы способно выживать в холоде», - говорит Бэт Шапиро, эволюционный генетик из Университета Калифорнии в Санта Круз, который не участвовал в последнем исследовании. Как бы причудливо это ни звучало, но такая попытка реализуется на очень ранней стадии в исследовательской лаборатории в Бостоне, штат Массачуссетс.

Первый геном шерстистого мамонта был опубликован в 2008 году, но он содержал слишком много ошибок, чтобы надёжно распознать, как геном мамонта отличается от геномов слонов. Другие исследования выделили индивидуальные гены мамонта для более пристального изучения и идентифицировали мутации, которыми наделены животные со светлым покровом и переносящим кислород гемоглобиновыми белками, работающими на холоде.

Жировые секреты

В последнем исследовании Винсент Линч, эволюционный генетик Университета Чикаго в Иллинойсе, и его команда описывают, как они последовательно соединили геномы трёх азиатских слонов и двух шерстистых мамонтов (один умер 20 тыс. лет, а второй - 60 тыс. лет назад) в сверхвысоком разрешении. Они обнаружили примерно 1,4 млн нуклеотидов, различающихся у мамонтов и слонов, что изменило последовательность более чем 1600 генов, кодирующих белок. Исследование было размещено на сервере препринтов по биологическим наукам bioRxiv.org 23 апреля.

Проверка литературы в поисках информации о том, что эти белки делают в других организмах, выявила десятки генов, участвующих в развитии кожи и шерсти, запасании и метаболизме жира, температурном ощущении и прочих аспектах биологии, потенциально имеющих отношение к жизни в Арктике.

Например, несколько генов с уникальными для мамонтов изменениями были вовлечены в настройку циркадных ритмов - потенциальной адаптации к жизни в мире с тёмными зимами и 24-часовым дневным светом летом. У других арктических животных, таких, как северных оленей, имеются схожие мутации.

Геномы мамонтов также содержат дополнительные копии гена, который контролирует продукцию жировых клеток, и вариации в генах, связанных с сигнальной системой инсулина, которая, в свою очередь, связана с диабетом и его предотвращением. И несколько генов, отличающихся у мамонтов и слонов, задействованы в ощущении тепла и передаче такой информации в мозг.

Воскрешённый ген

Команда исследователей "воскресила" мамонтовую версию одного из генов тепловой чувствительности, который кодирует белок под названием TRPV3, экспрессирующийся в коже и регулирующий также рост шерсти. В лаборатории они вставили последовательность гена в геном человеческих клеток, подвергли их действию различных температур и выявили, что мамонтовый белок TRPV3 меньше реагирует на тепло, чем его слоновая версия. Этот результат согласуется с предыдущим открытием, что мыши с инактивированным вариантом TRPV3 с большей вероятностью проводят время в более холодных частях своих вольеров по сравнению с нормальными грызунами и отличаются более волнистой шерстью.

«Следующая стадия, - рассказывает Линч, - это вставить этот же ген в слоновые клетки, химически запрограммированные на поведение как у эмбриональных клеток и таким образом способные превращаться во множество типов клеток. Такие индуцированные плюрипотентные клетки (induced pluripotent stem, iPS) затем можно использовать для изучения экспрессии мамонтовых белков в различных тканях». Команда Линча также планирует протестировать эффекты других мамонтовых мутаций в iPS-клетках.

Операция "Мамонт"

Похожая работа в настоящее время проводится в лаборатории Джорджа Чарча, генетика Гарвардской медицинской школы в Бостоне. Используя технологию, известную как CRISPR/Cas9, позволяющую легко редактировать гены, его команда заявляет, что имеет сконструированные слоновые клетки, которые содержат мамонтовый вариант 14 генов, потенциально вовлечённых в переносимость холода, хотя команда пока что не протестировала, как это влияет на слоновые клетки. Чарч планирует поставить эти эксперименты на "органоидах", созданных из слоновых iPS-клеток.

"Данная работа, - говорит Чарч, - является предтечей к редактированию всего генома шерстистого мамонта и, может быть, даже к воскрешению шерстистого мамонта или, по крайней мере, передаче азиатскому слону мамонтовых генов, достаточных для выживания в Арктике. Второй вариант был бы проще для реализации, потому что он бы потребовал меньшего числа мутаций, чем первый вариант. В качестве потенциального дома для популяции таких холодоустойчивых слонов даже предложили заповедник площадью 16 кв. км в Западной Сибири, называемый "Плейстоценовым парком". Однако захочет ли кто-нибудь сделать нечто подобное - другой вопрос," - говорит Линч, и Шапиро согласна с ним.

В своей книге "Как клонировать мамонта" ("Prinston University Press", 2015 г.) она вкратце описывает бесчисленные препятствия, которые стоят на пути к разведению генетически модифицированных "шерстистых слонов" - от этической стороны применения репродуктивных технологий к исчезающим видам до факта, что область репродуктивной биологии слонов всё ещё неразвита.

«Возможно, мне следовало назвать эту книгу "Как можно было бы заняться клонированием мамонта (если бы это стало технически возможным и если бы это было вообще хорошей идеей, что скорее всего нет)» , - говорит Шапиро. "Но тот заголовок был гораздо менее обширным".