Когда в 2010 году в сибирской мерзлоте нашли небольшого мамонтенка Юку, находку восприняли как огромную удачу. Ткани животного сохранились почти идеально: на теле сохранились царапины, шерсть лежала плотным слоем, мышцы практически не утратили структуру. 15 лет спустя стало ясно, что эта находка куда важнее, чем предполагали вначале. 

Группа исследователей из Стокгольмского университета сообщила о выделении из тканей Юки древней РНК — молекул, которые редко переживают даже десятилетия, не говоря о десятках тысяч лет. Работа исследователей показала, как современные методы позволяют выйти за рамки привычного анализа ДНК и получить данные о клеточной активности давно исчезнувшего животного.

РНК в материалах из прошлого: почему это неожиданно

Исследования древних организмов десятилетиями опирались в основном на ДНК. Именно она открыла путь к расшифровке геномов мамонтов, неандертальцев и других видов, позволяя понять последовательность эволюционных изменений. При этом ДНК показывает только набор генов — перечень возможных инструкций. Она почти ничего не говорит о том, какие из них были задействованы в конкретный момент жизни.

РНК как раз восполняет пробел. Это молекула появляется, когда клетке нужно использовать определенный ген. По ней можно понять, что за белки синтезировались, какие процессы были активны, как ткани реагировали на нагрузку или стресс. Анализ древней РНК дает представление о работе клеток животного перед самой смертью: что за мышцы были задействованы, какие сигнальные пути включались и какие реакции происходили в тканях.

В отличие от ДНК молекулы РНК быстро разрушаются. Они чувствительны к колебаниям температуры, легко разлагаются под действием ферментов и в обычных условиях сохраняются недолго. Поэтому надежда, что хотя бы какие-то их фрагменты переживут десятки тысяч лет, выглядела слишком смелой. Тем не менее суровый климат Сибири сыграл свою роль. Постоянный холод, отсутствие влаги и изоляция тканей в толще льда задали условия, при которых часть молекул смогла сохраниться в форме коротких отрывков. Именно их и попытались извлечь ученые.

После выделения генетического материала исследователи провели его секвенирование и сравнили полученные фрагменты с известными геномами азиатских слонов и реконструированным геномом мамонтов.

Такой подход позволил убедиться, что обнаруженные последовательности действительно принадлежат Юке. В итоге удалось собрать транскрипционный профиль — своего рода карту, какие гены были активны в тканях животного при жизни. Это не подробный снимок состояния организма, но информация, которая до сих пор недоступна для любого вида, исчезнувшего так давно.

Что удалось узнать о физиологии Юки

Главный интерес вызвали образцы мышечной ткани. Несмотря на сильную фрагментацию молекул, авторы работы нашли участки мРНК, связанные с белками, важными для сокращения волокон. В числе обнаруженных последовательностей — фрагменты, соответствующие MYH7 и TNNT1. Они характерны для медленных мышечных волокон, которые обеспечивают выносливость и длительное напряжение. 

Параллельно нашли признаки клеточного стресса — обрывки РНК, вовлеченные в реакции на повреждение тканей. РНК сама по себе не раскрывает причину гибели, но анализ показал, что организм в последние часы жизни работал не в обычном режиме: в мышцах фиксируются признаки напряжения и стрессовых реакций. Они могли возникнуть из-за холода, испуга, борьбы за жизнь или любого другого критического события, предшествовавшего смерти.

Отдельное внимание уделили последовательностям, соответствующим Y-хромосоме. Еще раньше анализ ДНК говорил о том, что Юка был самцом. РНК все подтвердила. 

Помимо мРНК исследователи нашли множество некодирующих РНК — небольших молекул, которые участвуют в регуляции активности генов. Среди них были микроРНК, отличающиеся от аналогов у современных слонов. Все это не позволяет сделать выводы о конкретных особенностях организма, но доказывает, что регуляторные механизмы мамонтов во многом отличались от современных родственников. 

Как это сделано

Работа с древней РНК — продолжительный процесс, причем даже небольшая ошибка может испортить результат. Ученые использовали лаборатории с защитой от примесей, где воздух фильтруется, а рабочие поверхности регулярно обрабатываются. Любая чужая молекула РНК, попавшая в образец, может полностью исказить картину, поэтому контроль чистоты был критически важен.

Ткани Юки сначала замораживали в жидком азоте, чтобы сохранить структуру и снизить вероятность дальнейшего разрушения молекул. Затем материал измельчали и обрабатывали реагентами, отделяющими РНК от других компонентов клетки. На этом этапе исследователи получали лишь короткие фрагменты — слишком обрывочные, чтобы собрать их в полноценные длинные цепочки. Однако современные методы секвенирования позволяют собирать мозаику из множества мелких кусочков, сопоставляя их с известными геномами.

Компьютерная обработка данных оказалась не менее сложной. Нужно было отличить фрагменты, принадлежащие мамонту, от последовательностей бактерий, грибов и случайных загрязнений. Для этого использовали программы вроде Bowtie2, они ищут совпадения с эталонными геномами и учитывают характерные повреждения древних молекул. Дополнительно сравнивали распределение фрагментов по участкам генома: настоящая РНК должна соответствовать преимущественно экзонам — областям, кодирующим белки. Именно это и наблюдалось в тканях Юки, что подтвердило корректность предположений.

Ученые проанализировали ткани еще нескольких мамонтов, найденных в разных районах Сибири. Однако лишь у этого экземпляра сохранность оказалась достаточной для полноценного транскрипционного анализа. Видимо, небольшие различия в условиях замерзания или времени нахождения в мерзлоте повлияли на то, какие молекулы сумели пережить тысячелетия.

Что дает РНК для понимания прошлого

Появление возможности изучать древнюю РНК меняет саму логику изучения вымерших видов. Если раньше реконструкция ограничивалась последовательностью ДНК, то теперь можно обсуждать работу генов, а значит — поведение клеточных систем, обмен веществ, реакцию организма на внешние факторы. Это особенно важно для видов, чья экология известна только по косвенным данным.

Образцы РНК находили и раньше: у человека Этци возрастом более пяти тысяч лет и в тканях тасманского тигра XIX века. Но пример Юки показывает, что молекулы могут сохраняться значительно дольше, если условия благоприятные. Это дает шанс на обнаружение РНК у других животных ледниковой эпохи — пещерных медведей, древних лошадей или даже хищников, если их останки оказались в подходящей среде.

Есть и другой аспект. РНК может содержать фрагменты не только самого животного, но и организмов, что его окружали. Некоторые вирусы используют РНК в качестве генетического материала. Если их следы когда-нибудь будут найдены в древних тканях, это позволит изучить болезни, влиявшие на популяции животных прошлого. Такие работы пока находятся в зачаточном состоянии, но сама возможность обсуждается.