В чем секрет Y-хромосомы и почему ее изучение так важно для генетики

Разобраться • 20 декабря 2024

Перевод: Ирина Шитикова

Фото: National Cancer Institute, Unsplash

В ходе исследования, которое в этому году провела международная группа специалистов из Университета штата Пенсильвания, Национального института исследования генома человека и Университета Вашингтона, были получены подробные геномы половых хромосом шести видов обезьян, что свидетельствует о значительной изменчивости и эволюции Y-хромосомы. Эта работа помогает понять репродуктивную генетику и может повлиять на изучение заболеваний человека, связанных с этими хромосомами.

Сквозные последовательности X- и Y-хромосом открывают широкую вариативность Y-хромосомы, что позволяет понять эволюцию человека и его болезни, а также генетику сохранения исчезающих видов приматов. Ученые создали полные эталонные геномы половых хромосом нескольких человекообразных и низших приматов, обнаружив быстрые эволюционные изменения, особенно на Y-хромосоме. Эти результаты служат основой для будущих исследований размножения, фертильности и половых генетических признаков обезьян, улучшая понимание эволюции приматов и связанных с ней заболеваний человека.

Такие разные

Специалисты создали полные «сквозные» эталонные геномы половых хромосом пяти видов человекообразных обезьян и одного вида низших обезьян. Их исследование выявило быстрые эволюционные изменения в специфической для самцов Y-хромосоме. Эти данные расширяют понимание эволюции половой хромосомы и способствуют изучению генетических заболеваний, поражающих как обезьян, так и людей.

Все исследованные учеными виды человекообразных обезьян находятся под угрозой исчезновения. Доступность полных последовательностей их половых хромосом облегчит изучение их расселения в дикой природе по половому признаку и генов, важных для воспроизводства и фертильности.

Новые полные геномы половых хромосом шести видов приматов, созданные в результате международного сотрудничества, свидетельствуют о быстрой эволюции Y-хромосомы у приматов. Эти результаты могут помочь в сохранении исчезающих видов и пролить свет на генетические заболевания, связанные с полом, как у людей, так и у приматов.

Такие эталонные геномы служат репрезентативным примером, полезным для будущих исследований этих видов. Команда обнаружила, что Y-хромосома по сравнению с Х-хромосомой сильно различается у разных видов приматов и содержит множество видоспецифичных последовательностей. Однако она по-прежнему подвержена очищающему естественному отбору — эволюционной силе, которая защищает ее генетическую информацию, удаляя вредные мутации.

Эталонные гены

Исследователи секвенировали геном человека в 2001 году, но на самом деле он был неполным. Технологии, доступные в то время, привели к тому, что некоторые пробелы не были заполнены до тех пор, пока в 2022–2023 гг. консорциум Telomere-to-Telomere, или T2T, не предпринял новые усилия. Теперь ученые использовали экспериментальные и вычислительные методы, разработанные консорциумом T2T для определения полных последовательностей половых хромосом наших ближайших живых родственников — человекообразных обезьян.

Команда создала полные последовательности половых хромосом для пяти видов человекообразных обезьян:

шимпанзе,
бонобо,
горил.
борнейского
и суматранского орангутанов.

Они составляют большинство видов человекообразных обезьян, живущих сегодня. Также команда создала последовательности для сиаманга (вид обезъян из рода гиббонов. — Прим. ред.). Они создали последовательности для одной особи каждого вида.

Полученные эталонные геномы служат картой генов и других хромосомных областей, которая может помочь исследователям в составлении последовательности и сборке геномов других особей данного вида. Предыдущие последовательности половых хромосом для этих видов были неполными или — для борнейского орангутана и сиаманга — не существовали.

«Последовательность Y-хромосомы была сложной, так как она содержит много повторяющихся областей, а поскольку традиционные технологии секвенирования с коротким прочтением декодируют последовательности короткими сериями, трудно расположить полученные сегменты в правильном порядке», — говорит Кароль Пал.

Методы T2T используют технологии секвенирования с длинными считываниями, которые позволяют преодолеть эту проблему. Ученые смогли полностью секвенировать и собрать повторяющиеся области.

Уникальная хромосома

Сравнивая X- и Y-хромосомы между собой и с другими видами, в том числе с ранее созданными человеческими T2T-последовательностями X и Y, исследователи, по их словам, узнали много нового об эволюции приматов. Y оказалась уникальной в плане накопления множества делеций, других мутаций и повторяющихся элементов, поскольку на большей части своей длины она не обменивается генетической информацией с другими хромосомами.

В результате среди шести видов приматов исследовательская группа обнаружила, что Y-хромосома гораздо более изменчива, чем X, по целому ряду характеристик, включая размер. Среди изученных приматов размер Х-хромосомы варьируется от 154 млн букв алфавита ACTG (нуклеотидов, составляющих ДНК) у шимпанзе и человека до 178 млн букв у гориллы. В отличие от этого, размер Y-хромосомы варьирует от 30 млн букв ДНК у сиаманга до 68 млн букв у суматранского орангутана.

Количество общих последовательностей ДНК между видами также имело больше различий на Y. Например, около 98% Х-хромосомы совпадает у человека и шимпанзе, но только около трети Y-хромосомы совпадает между ними. Как считают исследователи, это объясняется в том числе тем, что Y-хромосома чаще подвергается перестройке или дублированию части генетического материала.

Кроме того, процент хромосом, занятых повторяющимися последовательностями, сильно варьирует на Y. Если на Х-хромосоме в зависимости от вида повторяющиеся элементы занимают от 62% до 66%, то на Y-хромосоме — от 71% до 85%. Эти проценты на Х- и на Y-хромосоме выше, чем на других хромосомах генома человека.

Исследователи обнаружили, что Y-хромосома обезьян сокращается, накапливает множество мутаций и повторов, а также теряет гены. В Y-хромосоме есть ряд генов, развивающихся под действием очищающего отбора — типа естественного отбора, который сохраняет генные последовательности в неизменном виде. Многие из этих генов важны для сперматогенеза. Это означает, что Y-хромосома вряд ли исчезнет в ближайшее время.

Генетические копии

Кроме того, выяснилось, что многие гены на Y-хромосоме используют две стратегии для выживания. Первая использует преимущества генетической избыточности — наличие нескольких копий одного и того же гена на хромосоме. Таким образом, неповрежденные копии гена могут компенсировать копии, которые могут получить мутации. Исследователи оценили эту генетическую избыточность, впервые составив ландшафт многокопийных семейств генов на половых хромосомах обезьян.

«Мы обнаружили, что Y-хромосома может обмениваться генетической информацией с самой собой между повторяющимися последовательностями двух плеч палиндрома, которые складываются таким образом, что инвертированные последовательности выравниваются», — говорит Пал.

Когда две копии одного и того же гена расположены в пределах палиндромов и одна копия подвергается мутации, она может быть «спасена» путем генетического обмена с другой копией, — это может компенсировать отсутствие у Y обмена генетической информацией с другими хромосомами, добавил он.

База для изучения

Исследовательская группа также впервые получила полные последовательности палиндромов на половых хромосомах обезьян, поскольку ранее их было сложно секвенировать и изучать. Они обнаружили, что палиндромы особенно многочисленны и длинны на Y-хромосоме обезьян, но обычно они встречаются только у близкородственных видов.

Ученые также исследовали половые хромосомы 129 отдельных горилл и шимпанзе, чтобы лучше понять генетические различия внутри каждого вида и найти доказательства естественного отбора и других эволюционных сил, действующих на них. Было изучено множество факторов, которые могли бы объяснить вариации на Y-хромосоме у горилл и шимпанзе, и этот анализ выявил дополнительные признаки очищающего отбора на Y. Это подтверждает роль такого типа естественного отбора на Y, как было обнаружено в предыдущих анализах генов.

Мощное сочетание биоинформационных методов и эволюционного анализа, которое использовали исследователи, позволяет лучше объяснить эволюционные процессы, происходящие с половыми хромосомами у человекообразных обезьян. «Кроме того, созданные нами эталонные геномы будут полезны для будущих исследований эволюции приматов и человеческих болезней», — говорит Кристиан Хубер, доцент биологии в Пенсильванском университете и автор статьи.

Ранее исследование, опубликованное в журнале PLOS Biology, показало, что шимпанзе продолжают совершенствовать свои навыки использования инструментов до зрелого возраста, как и люди. Это говорит о том, что обучение на протяжении всей жизни является жизненно важным для эволюции сложного использования инструментов и когнитивного развития приматов.

Темы

2024 исследования наука