A team led by scientists from Baylor College of Medicine, University of Copenhagen, and Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica and Centre for Genomic Regulation report discovering fossils of ancient chromosomes in the remains of a woolly mammoth that died 52,000 years ago. The fossils preserve the structure of the ancient chromosomes down to the nanometer scale – billionths of a meter. The discovery is featured on the cover of Cell.

“We’ve known that tiny fragments of ancient DNA can survive for long periods of time,” said Dr. Marcela Sandoval-Velasco of the Center for Evolutionary Hologenomics at the University of Copenhagen and co-first author of the new study. “But what we found here is a sample where the three-dimensional arrangement of these DNA fragments was frozen in place for tens of millennia, thereby preserving the structure of the whole chromosome.”

Fossil chromosomes are a powerful new tool for studying the history of life on Earth. That’s because typical ancient DNA fragments are rarely longer than 100 base pairs, or 100 letters of the genetic code – far smaller than the full DNA sequence of an organism, which is often billions of letters long. By contrast, fossil chromosomes can span hundreds of millions of genetic letters.

“By comparing ancient DNA molecules to the DNA sequences of modern species, it’s possible to find cases where single letters of the genetic code have changed,” said co-first and co-corresponding author Dr. Olga Dudchenko, assistant professor of molecular and human genetics at The Center for Genome Architecture at Baylor College of Medicine and Senior Investigator at the Center for Theoretical Biological Physics at Rice University. “Fossil chromosomes are a game-changer, because knowing the shape of an organism’s chromosomes makes it possible to assemble the entire DNA sequence of extinct creatures. This enables the types of insights that would not have been possible before.”

Since the fossil chromosomes came from a mammoth, one of the first things the team did was to determine the number of chromosomes that the woolly mammoth possessed. “We found that they have 28 pairs of chromosomes, which makes a lot of sense, because that’s what modern elephants have, and they are the woolly mammoth’s closest living relative.” said Dr. Juan Antonio Rodríguez, co-first author of the study and a researcher at the University of Copenhagen and at Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica in Barcelona, Spain. “It was extremely exciting to be able to count the chromosomes of an extinct creature for the first time. It’s usually not possible to have this much fun simply counting from one to twenty-eight.”

By examining the fossil chromosomes, which derived from the mammoth’s skin, it was possible to see which genes were active. This is because of a phenomenon called chromosome compartmentalization – the fact that active and inactive DNA tends to segregate into two spatial neighborhoods inside the cell nucleus. For most genes, the activity state matches what researchers saw in modern elephant skin. But not always.

“The obvious question for us was: why is it a ‘woolly mammoth’? Why isn’t it a ‘shockingly bald mammoth’?” said Dr. Thomas Gilbert, Director of the Center for Hologenomics and co-corresponding author of the paper. “The fact that the compartmentalization was still preserved in these fossils was critical, because it made it possible to look, for the very first time, at which genes were active in a woolly mammoth. And it turns out that there are key genes that regulate hair follicle development whose activity pattern is totally different than in elephants.”

The researchers saw more than just compartmentalization in the shape of these ancient chromosomes. In fact, the chromosomes shared many structural features with modern chromosomes. The most spectacular of these features was also the tiniest: chromatin loops, structures as small as 50nm which the Baylor team had mapped in humans, for the first time, only 10 years ago.

“The survival of loops in these ancient chromosomes is perhaps the most impressive part,” said ICREA Research Professor Marc A. Marti-Renom, co-corresponding author on the study and Group Leader at Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica, as well as the Centre for Genomic Regulation, both in Barcelona, Spain. “DNA loops, which are only 50 nanometers in size, are important because they bring activating DNA sequences close to their gene targets. So, these fossils don’t just show us which genes were active – they show us why.”

Yet the researchers were left with a puzzle: how could the DNA fragments of ancient chromosomes possibly survive for 52,000 years with their three-dimensional structure intact? After all, in 1905 – his ‘annus mirabilis’, or ‘miracle year’ – Albert Einstein published a classic paper calculating how quickly small particles, like bits of DNA, tend to move through a substance.

“Einstein’s work makes a very simple prediction about chromosome fossils: under ordinary circumstances, they shouldn’t exist,” said Dr. Dudchenko. “And yet: here they are. It was a physics mystery!” To explain this apparent contradiction, the researchers realized that the chromosome fossils were in a very special state, closely resembling the state of molecules in glass. “Chromoglass is a lot like the glass in your window: it’s rigid, but it’s not an ordered crystal,” said Dr. Erez Lieberman Aiden, co-corresponding author of the study, director of The Center for Genome Architecture, and Professor at the Baylor College of Medicine. “If you zoom in on the individual particles, a piece of glass – or a piece of chromoglass – is basically a bumper-to-bumper nano-scale traffic jam, in a world with no lane markers. Individual particles, or individual fragments of ancient DNA, just can’t move very far in that situation. Even if you wait for thousands and thousands of years.”

The idea that the mammoth remains, unearthed in 2018 in Siberian permafrost, were preserved in a glass-like state is not so farfetched. Without realizing it, many civilizations developed ways to induce a “glass transition” in their food as a way to
preserve it, usually by a combination of cooling and dehydration. This resulted in foods, like tortilla chips and beef jerky – that are more brittle than the original food, but that last much longer. And it is why the glass transition has become a key concept for modern food scientists. Essentially, the researchers discovered that the chromosome fossils had been trapped inside a piece of freeze-dried woolly mammoth jerky.

“We confirmed this theory by doing experiments on old, freeze-dried beef jerky, which is much easier to find than woolly mammoth jerky,” explained Dr. Cynthia Pérez Estrada, co-first author of the study and a researcher at The Center for Genome Architecture and at Rice University’s Center for Theoretical Biological Physics. “We fired a shotgun at it. We ran over it with a car. We had a former starting pitcher for the Houston Astros throw a fastball at it. Each time, the jerky broke into tiny bits – shattering like a glass. But at the nano-scale, the chromosomes were intact, unchanged. That’s the reason these fossils can survive. That’s the reason that they were there, fifty-two thousand years later, just waiting for us to find them.”

EN CASTELLANO

Hallados fósiles de cromosomas antiguos

El descubrimiento permite el ensamblaje de genomas de especies extinguidas

 
Un equipo internacional de investigación liderado por el Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG) y el Centro de Regulación Genómica, el Baylor College of Medicine (Estados Unidos) y la Universidad de Copenhague (Dinamarca), ha descubierto fósiles de cromosomas antiguos en los restos de un mamut lanudo que murió hace 52,000 años. Los fósiles preservan la estructura de los cromosomas antiguos a escala nanométrica, es decir, mil millonésimas de metro.
 
El descubrimiento ha sido publicado en la revista Cell y cuenta con la participación de los doctores Marc A. Martí-Renom, profesor de investigación ICREA y Jefe de Grupo en el Centro Nacional de Análisis Genómico y el Centro de Regulación Genómica, y Juan Antonio Rodríguez, investigador en el Centro Nacional de Análisis Genómico de Barcelona y la Universidad de Copenhague.
 
“Hemos descubierto que los pequeños fragmentos de ADN antiguo pueden sobrevivir a lo largo de muchísimo tiempo,” apunta la Dra. Marcela Sandoval-Velasco, del Center for Evolutionary Hologenomics de la Universidad de Copenhague y coautora principal del nuevo estudio. “Y no solo eso. Lo que hemos hallado aquí es una muestra en la cual la disposición tridimensional de estos fragmentos de ADN se congeló allí quedándose intacta durante decenas de milenios, preservando así la estructura del cromosoma completo.”
 
Los cromosomas fósiles son una nueva herramienta muy potente para estudiar la historia de la vida en la Tierra. Esto se debe a que los fragmentos típicos de ADN antiguo rara vez superan la extensión de 100 pares de bases, o 100 letras de código genético, mucho más cortos que la secuencia completa de ADN de un organismo, que a menudo es de miles de millones de letras. En cambio, los cromosomas fósiles pueden abarcar cientos de millones de letras genéticas.
 
“Al comparar moléculas de ADN antiguo con las secuencias de ADN de especies modernas, es posible encontrar casos donde las letras individuales del código genético han cambiado,” afirma la coautora principal y coautora correspondiente Dra. Olga Dudchenko, profesora adjunta de genética molecular y humana en The Center for Genome Architecture de Baylor College of Medicine e investigadora en el Center for Theoretical Biological Physics en Rice University. “Los cromosomas fósiles han cambiado las reglas del juego, porque conocer la forma de los cromosomas de un organismo hace posible ensamblar la secuencia completa de ADN de criaturas que se extinguieron. Esto nos permite obtener información que no teníamos hasta ahora.”
 
Dado que los cromosomas fósiles pertenecían a un mamut lanudo, una de las primeras cosas que hizo el equipo fue determinar el número de cromosomas que poseía. “Encontramos que tienen 28 pares de cromosomas, lo que tiene mucho sentido, porque eso es lo que tienen los elefantes modernos, y son los parientes vivos más cercanos del mamut lanudo,” dice el Dr. Juan Antonio Rodríguez, coautor principal del estudio e investigador en el Centro Nacional de Análisis Genómico de Barcelona y la Universidad de Copenhague. “Fue extremadamente emocionante poder contar los cromosomas de una criatura extinta por primera vez. Usualmente, no es posible divertirse tanto simplemente contando del uno al veintiocho.”
 
Al examinar los cromosomas fósiles, que provienen de la piel del mamut, fue posible ver qué genes estaban activos. Esto se debe a un fenómeno llamado compartimentalización cromosómica: el hecho de que el ADN activo e inactivo tiende a segregarse en dos espacios contiguos dentro del núcleo celular. Para la mayoría de los genes, el estado de actividad coincide con lo que el equipo de investigación vio en la piel de los elefantes modernos. Pero no siempre.

"La pregunta obvia para nosotros fue: ¿por qué es un ‘mamut lanudo’? ¿Por qué no es un ‘mamut sorprendentemente calvo’?” dice el Dr. Thomas Gilbert, director del Center for Hologenomics y coautor correspondiente del artículo. “El hecho de que la compartimentalización del genoma todavía se preservara en estos fósiles fue crucial, porque hizo posible observar, por primera vez, qué genes estaban activos en un mamut lanudo. Y resulta que hay genes clave que regulan el desarrollo del folículo piloso cuyo patrón de actividad es totalmente diferente al de los elefantes.”
 
La compartimentalización no fue lo único que observó el equipo de investigación en la forma de estos cromosomas antiguos. De hecho, los cromosomas compartían muchas características estructurales con los cromosomas modernos. La más espectacular de estas características fue también la más diminuta: los bucles de cromatina, estructuras pequeñas de aproximadamente 50 nanómetros, que el equipo de Baylor había mapeado en humanos por primera vez hacía solo 10 años.
 
“La supervivencia de los bucles en estos cromosomas antiguos es quizás la parte más impresionante,” dice Marc A. Martí-Renom, coautor correspondiente del estudio y líder del grupo de Genómica Estructural en el Centro Nacional de Análisis Genómico, así como en el Centro de Regulación Genómica. “Los bucles de ADN, que solo miden 50 nanómetros, son importantes porque acercan las secuencias de ADN activadoras a sus objetivos genéticos. Por lo tanto, estos fósiles no solo nos muestran qué genes estaban activos, sino también por qué.”
 
Sin embargo, el equipo de investigación se encontró con un enigma: ¿cómo podrían los fragmentos de ADN de cromosomas antiguos sobrevivir durante 52,000 años con su estructura tridimensional intacta? Después de todo, en 1905 – su ‘annus mirabilis’, o ‘año milagroso’ – Albert Einstein publicó un artículo calculando la velocidad a la que tienden a moverse las pequeñas partículas, como podrían ser fragmentos de ADN, a través de una sustancia. “El trabajo de Einstein hace una predicción muy simple sobre los fósiles de cromosomas antiguos: en circunstancias normales, no deberían existir,” dijo la Dra. Dudchenko. “Y, sin embargo, aquí están. ¡Era un misterio de la física!”.
 
Para explicar esta aparente contradicción, el equipo de investigación se dio cuenta de que los cromosomas fósiles estaban en un estado muy especial, que se asemeja mucho al estado de las moléculas en el vidrio. “El vidrio es muy parecido al cristal de tu ventana: es rígido, pero no es un cristal ordenado,” dijo el Dr. Erez Lieberman Aiden, coautor correspondiente del estudio, director del Center for Genome Architecture y profesor en el Baylor College of Medicine. “Si haces zoom en las partículas individuales, un trozo de vidrio es básicamente como un atasco de tráfico a escala nanométrica, en un mundo donde no hay carriles. Las partículas individuales, o los fragmentos individuales de ADN antiguo, simplemente no tienen a dónde ir en esa situación, aunque esperemos miles y miles de años.”

La idea de que los restos del mamut, que se encontraron preservados en el permafrost siberiano, se conservaron en un estado similar al vidrio no es tan descabellada. Sin darse cuenta, muchas civilizaciones han desarrollado formas de inducir esta “transición vítrea” en sus alimentos como una forma de conservarlos, generalmente mediante una combinación de enfriamiento y deshidratación. Esto sucede en algunos alimentos que todos conocemos, como la carne seca o cecina que son más quebradizos que el alimento original, pero que duran mucho más. Y es por eso por lo que la transición vítrea se ha convertido en un concepto clave para la comunidad científica en la alimentación moderna. Esencialmente, el equipo de investigación descubrió que los fósiles de cromosomas habían quedado atrapados dentro de un trozo de carne seca de mamut liofilizada.
 
“Confirmamos esta teoría haciendo experimentos con carne seca de ternera, que es mucho más fácil de encontrar que la carne seca de mamut lanudo,” explicó la Dra. Cynthia Pérez Estrada, coautora principal del estudio e investigadora en The Center for Genome Architecture y en el Rice University’s Center for Theoretical Biological Physics. “Le disparamos con una escopeta. Pasamos sobre ella con un coche. Hicimos que un ex lanzador de los Houston Astros le lanzara una bola rápida. En cada ocasión, la carne seca se rompía en pequeños fragmentos, haciéndose añicos como un cristal. Pero a nanoescala, los cromosomas estaban intactos, sin cambios. Esa es la razón por la cual estos fósiles sobrevivieron. Es la razón por la que estos fósiles estaban allí, cincuenta y dos mil años después, esperando a que los encontráramos.”
 

EN CATALÁ

Trobats fòssils de cromosomes antics

Aquest descobriment científic permet l’assemblatge de genomes d'espècies extingides

 
Un equip internacional de recerca liderat pel Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica (CNAG) i el Centre de Regulació Genòmica, el Baylor College of Medicine (Estats Units) i la Universitat de Copenhaguen (Dinamarca), ha descobert fòssils de cromosomes antics en les restes d'un mamut llanut que va morir fa 52.000 anys. Els fòssils preserven l'estructura dels cromosomes antics a escala nanomètrica, és a dir, mil milionèsimes de metre.
 
El descobriment ha estat publicat a la revista Cell i compta amb la participació dels doctors Marc A. Martí-Renom, professor de recerca ICREA i cap de grup al Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica i el Centre de Regulació Genòmica, i Juan Antonio Rodríguez, investigador al Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica de Barcelona 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 cromosomesfòssils 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 esvan 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 moltsentit, perquè això és el que tenen els elefants moderns, i són els parents vius més pròxims del mamut llanut,” diu el Dr. Juan Antonio Rodríguez, coautor principal de l'estudi i investigador en el Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica de Barcelona 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 tantsimplement comptant de l'u al vint-i-vuit.”
 
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’?” diu 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 totalmente 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,” diu Marc A. Martí-Renom,
coautor corresponent de l'estudi i líder del grup de Genòmica Estructural en el Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica, així com en el Centre de Regulació Genòmica. “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.”
 
“La supervivència dels bucles en aquests cromosomes antics és potser la part més impressionant,” diu Marc A. Martí-Renom, coautor corresponent de l'estudi i líder del grup de Genòmica Estructural en el Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica, així com en el Centre de Regulació Genòmica. “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.”

No obstant, 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,” va dir 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,” va dir 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 milersi 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 cromosomas 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 mésfàcil de trobar que la de mamut llanut,” va explicar 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.”