We sequenced DNA from a million-year old mammoths

De meeste mensen denken bij mammoeten aan de iconische wollige soort uit de laatste ijstijd, die ongeveer 12.000 jaar geleden eindigde. Maar mammoeten ontstonden ongeveer 5 miljoen jaar geleden in Afrika, waarna ze zich verspreidden en diversifieerden over Eurazië en Noord-Amerika.

Ongeveer een miljoen jaar geleden was er één bekende mammoetsoort die Siberië bewoonde, de steppe-mammoet. Men dacht dat dit de voorouder was van latere soorten zoals de wolharige mammoet en de Colombiaanse mammoet. Maar was dat wel zo?

In een nieuwe studie laten we zien dat mammoet-DNA van wel 1,2 miljoen jaar oud kan worden teruggevonden uit resten die zijn gevonden in permafrostafzettingen. Door dit DNA te sequencen – het bestuderen van de opbouw van de genetische informatie – ontdekten we een nog nooit eerder beschreven mammoetlijn, de hybride oorsprong van een mammoetsoort, en nog meer.

In 2017 ontvingen we monsters van extreem oude mammoottanden, die in de tijd bevroren waren in de Siberische permafrost. Een paar dagen later ging onze collega Patrícia Pečnerová het lab in met een duidelijke taak – om DNA te extraheren uit enkele van de oudst bekende mammootmonsters. Ze slaagde hierin.

Enkele weken later keken we naar miljoenen DNA-reeksen die onmiskenbaar overeenkwamen met het genoom van de Afrikaanse savanneolifant, het model dat we gebruiken om de legpuzzel van elk mammoetgenoom dat we sequensen samen te stellen. Pečnerová maakte enkele snelle fylogenetische bomen – zoals een stamboom voor de evolutie van mammoeten – en liet ze aan ons zien. Het was niet helemaal een "Eureka!"-moment zoals in de films, maar bijna.

Het duurde lang om zeker te weten dat deze sequenties daadwerkelijk zeer oud mammoet-DNA waren. Bijvoorbeeld, oud DNA vertoont een karakteristiek, goed bekend patroon van chemische schade. Hoewel dit problemen kan veroorzaken voor sommige genetische analyses, helpt het ook om echt oud DNA te onderscheiden van moderne verontreinigingen, die een dergelijk patroon niet vertonen. Onze mammoetsequenties vertoonden het verwachte patroon.

De DNA-sequenties hadden ook een andere eigenschap van zeer oud DNA – ze waren extreem gefragmenteerd. In plaats van de langere DNA-sequenties die gevonden worden in jongere, beter bewaarde mammoetmonsters uit de permafrost, hadden we alleen korte.

Dit veroorzaakte een ander probleem, omdat kortere sequenties steeds moeilijker op hun juiste positie in het genoom te plaatsen zijn. Ze kunnen ook verward worden met contaminatie. Om dit te voorkomen moesten we alle sequenties onder een bepaalde lengtegrens verwijderen, wat pijnlijk maar noodzakelijk was.

We hebben geprobeerd onze monsters in de context van alle bekende mammoetsoorten te plaatsen. Onze resultaten gaven duidelijk aan dat het 1,1 miljoen jaar oude exemplaar – dat we Adycha noemden – de voorouder was van de wolharige mammoeten. Maar het plaatsen van de afstammingslijn van een ander monster, daterend van 1,2 miljoen jaar geleden, dat we Krestovka noemden, bleek veel moeilijker. Soms leek het nauw verwant aan de Colombiaanse mammoet, soms aan de wolharige mammoet.

Het kostte verschillende genetische analyses en uren van discussie en tekenen op het whiteboard om uiteindelijk de reden hiervoor te ontdekken. De Colombiaanse mammoet had een hybride oorsprong – niet slechts één voorouderlijke lijn, maar twee.

Onze resultaten schetsen een beeld waarin ongeveer de helft van de afkomst van de Colombiaanse mammoet terug te voeren is op de Krestovka-lijn en de andere helft op de wolharige mammoetlijn.

Dit zou eindelijk een langdurig mysterie rond mammoeten kunnen verklaren, namelijk waarom alle tot nu toe gesequencete Colombiaanse mammoeten mitochondriale genomen hadden – genetische informatie die volledig wordt geërfd van de moeder van een dier – die nauw verwant waren aan die van wolharige mammoeten. Nu denken we dat de Colombiaanse mammoeten waarschijnlijk hun mitochondria hebben verkregen door zich voort te planten met vrouwelijke wolharige mammoeten.

Als we zouden vragen wat een wolharige mammoet tot een wolharige mammoet maakt, zouden de meeste mensen verwijzen naar hun behaardheid. Maar er zijn ook vele andere karakteristieke aanpassingen van de wolharige mammoet aan arctische omgevingen, zoals verhoogde vetreserves, een hogere tolerantie voor koude temperaturen, aangepaste circadiane ritmes en meer. We hebben gekeken naar hoeveel van deze aanpassingen we al meer dan een miljoen jaar geleden konden vinden. Verrassend genoeg ontdekten we dat een meerderheid van deze aanpassingen al aanwezig was in het genoom van Adycha.

Wij denken dat deze bevinding brede implicaties kan hebben in de studie naar hoe soorten evolueren. Er is een open vraag in de evolutionaire biologie, of het tempo van aanpassing versneld wordt tijdens een soortvormingsgebeurtenis – wanneer populaties aparte soorten worden – of dat het een meer geleidelijk proces is.

Onze gegevens ondersteunen het laatste scenario, waarbij er geen bewijs is van snellere natuurlijke selectie tijdens het ontstaan van de wolharige mammoet. En de meeste aanpassingen die kenmerkend zijn voor de wolharige mammoet waren al aanwezig in zijn vooroudersoorten die meer dan een miljoen jaar geleden op de Siberische steppe rondzwierven.

Tot nu toe behoorde het oudste gesequencete DNA toe aan een paardenspecimen gedateerd tussen 560.000 en 780.000 jaar oud en teruggevonden in de permafrostafzettingen van Thistle Creek in Yukon, Canada.

Onze miljoenen jaren oude mammoetmonsters delen een cruciale eigenschap met het Thistle Creek-paard: ze werden bewaard in onder nul bevroren permafrostafzettingen. Bevroren bij de dood, of kort daarna, werd de afbraak van de DNA-moleculen in deze resten vertraagd gedurende honderdduizenden jaren totdat wij ze terugvonden en sequenceerden.

Wij denken dat materiaal dat bewaard is gebleven in permafrost de belofte van nog oudere DNA in zich draagt. Helaas, aangezien de oudste permafrostafzettingen dateren uit het Vroeg-Pleistoceen – ongeveer 2,6 miljoen jaar geleden – kan dit mogelijk een bovengrens stellen aan wat mogelijk is.

Geschreven door David Díez-del-Molino, Postdoctoraal onderzoeker, Centrum voor Paleogenetica, Stockholm University en Love Dalén, Hoogleraar Evolutionaire Genetica, Centrum voor Paleogenetica, Stockholm University. Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.