Дослідження людиноподібних мавп показує, що Y-хромосома розвивається швидше, ніж X

Нові наскрізні послідовності X- та Y-хромосом розкривають величезні варіації в Y-хромосомі, інформуючи про еволюцію людини та хвороби, а також про збереження генетики мавп, що знаходяться під загрозою зникнення.

Спільна дослідницька група створила повні еталонні геноми для статевих хромосом кількох великих і малих мавп, виявивши швидкі еволюційні зміни, зокрема в Y-хромосомі. Ці знахідки створюють основу для майбутніх досліджень розмноження мавп, плодючості та специфічних для статі генетичних ознак, покращуючи розуміння еволюції приматів і пов’язаних із ними хвороб людини.

Дослідження статевих хромосом мавп

Міжнародна команда штату Пенсільванія, Національного інституту дослідження геному людини та Університету Вашингтона створила повні «наскрізні» еталонні геноми для статевих хромосом п’яти видів людиноподібних мавп і одного виду малих мавп. Їхні дослідження виявили швидкі еволюційні зміни в характерній для чоловіків Y-хромосомі. Ці відомості покращують наше розуміння еволюції статевих хромосом і сприяють пізнанню генетичних захворювань, які вражають як мавп, так і людей.

Важливість Y і X хромосом у людиноподібних мавп

«Y-хромосома важлива для людської фертильності, а Х-хромосома містить гени, важливі для репродукції, пізнання та імунітету», — сказала Катерина Макова, кафедра наук про життя Верна М. Вілламана, професор біології в Пенсільванському університеті та керівник дослідження. команда. «Наше дослідження відкриває двері для багатьох майбутніх досліджень статевих хромосом, того, як вони еволюціонували, і захворювань, пов’язаних з ними. Всі живі види людиноподібних мавп, які ми вивчали, знаходяться під загрозою зникнення. Доступність їхніх повних послідовностей статевих хромосом полегшить дослідження їхнього статево-специфічного розповсюдження в дикій природі та їхніх генів, важливих для відтворення та фертильності».

Нещодавно згенеровані повні геноми статевих хромосом шести видів приматів — створені міжнародним співробітництвом під керівництвом дослідників із Пенсільванського штату та Національного науково-дослідного інституту геному людини — розкривають швидку еволюцію Y-хромосоми мавп. Ці результати можуть сприяти збереженню цих видів, що знаходяться під загрозою зникнення, і пролити світло на пов’язані зі статтю генетичні захворювання як у людей, так і у наших найближчих родичів. Авторство: Дизайн: Боб Гарріс; Фото: зоопарк Сан-Дієго та зоопарк Талси

Еволюційне розуміння мінливості Y-хромосоми

Такі еталонні геноми служать репрезентативним прикладом, корисним для майбутніх досліджень цих видів. Команда виявила, що, порівняно з Х-хромосомою, Y-хромосома сильно відрізняється в різних видів мавп і містить багато видоспецифічних послідовностей. Проте воно все ще піддається очищувальному природному відбору — еволюційній силі, яка захищає його генетичну інформацію шляхом видалення шкідливих мутацій.

Нове дослідження нещодавно було опубліковано в журналі Nature .

Технологічний прогрес у геномному секвенуванні

«У 2001 році дослідники секвенували геном людини, але насправді це не було повністю», — сказала Макова. «Доступна на той час технологія означала, що певні прогалини не були заповнені до відновлення зусиль під керівництвом Консорціуму Telomere-to-Telomere, або T2T, у 2022-23 роках. Ми використали експериментальні та обчислювальні методи, розроблені Human T2T Consortium, щоб визначити повні послідовності статевих хромосом наших найближчих живих родичів — людиноподібних мавп».

Порівняльна геноміка людиноподібних мавп

Команда створила повні послідовності статевих хромосом для п’яти видів людиноподібних мавп — шимпанзе, бонобо, горили, борнейського орангутанга та суматранського орангутанга, які включають більшість видів мавп, що живуть сьогодні, — а також малої мавпи сіаманга. Вони створили послідовності для однієї особини кожного виду. Отримані еталонні геноми діють як карта генів та інших хромосомних областей, що може допомогти дослідникам секвенувати та зібрати геноми інших особин цього виду. Попередні послідовності статевих хромосом для цих видів були неповними або — для борнейських орангутангів і сіамангів — не існували.

«Секвенування Y-хромосоми було складним, оскільки вона містить багато повторюваних ділянок, і, оскільки традиційна технологія секвенування короткого зчитування декодує послідовності короткими пакетами, важко розташувати отримані сегменти в правильному порядку», — сказав Кароль Пал, постдокторант дослідник у Пенсильванії та один із перших авторів дослідження. «Методи T2T використовують технології тривалого зчитування послідовності, які долають цю проблему. У поєднанні з досягненнями в обчислювальному аналізі, над яким ми співпрацювали з групою Адама Філліппі в NHGRI, це дозволило нам повністю розрізнити повторювані області, які раніше було важко послідовність і збірка. Порівнюючи X- і Y-хромосоми між собою та між видами, включно з попередньо створеними людськими T2T-послідовностями X і Y, ми дізналися багато нового про їх еволюцію».

Висока варіабельність Y-хромосоми

«Статеві хромосоми почалися як будь-яка інша пара хромосом, але Y була унікальною в накопиченні багатьох делецій, інших мутацій і повторюваних елементів, оскільки вона не обмінювалася генетичною інформацією з іншими хромосомами протягом більшої частини своєї довжини», — сказала Макова, яка також є директор Центру медичної геноміки штату Пенсильванія.

У результаті в шести видів мавп дослідницька група виявила, що Y-хромосома набагато більше варіабельна, ніж X, за різними характеристиками, включаючи розмір. Серед досліджених людиноподібних мавп розмір X-хромосоми коливається від 154 мільйонів літер алфавіту ACTG — що представляють нуклеотиди, що складають ДНК — у шимпанзе та людини до 178 мільйонів літер у горили. Навпаки, Y-хромосома має діапазон від 30 мільйонів літер ДНК у сіаманга до 68 мільйонів літер у суматранського орангутанга.

Кількість спільної послідовності ДНК між видами також була більш варіативною на Y. Наприклад, близько 98% X-хромосоми вирівнюються між людиною та шимпанзе, але лише приблизно третина Y вирівнюється між ними. Дослідники виявили, що частково це пов’язано з тим, що Y-хромосома, швидше за все, буде перебудована або матиме частини її генетичного матеріалу дубльованого.

Крім того, відсоток хромосоми, зайнятої послідовностями, які повторюються, сильно варіюється на Y. Тоді як, залежно від виду, від 62% до 66% X-хромосом зайнято повторюваними елементами, від 71% до 85% Y-хромосоми хромосоми ними зайняті. Ці відсотки вищі як на X, так і на Y, ніж в інших хромосомах генома людини.

Стратегії виживання Y-хромосоми

«Ми виявили, що мавпа Y зменшується, накопичує багато мутацій і повторів і втрачає гени», — сказала Макова. «То чому ж Y-хромосома не зникла, як припускали деякі попередні гіпотези? У співпраці з Сергієм Косаковським Пондом з Університету Темпл та іншими ми виявили, що Y-хромосома все ще має низку генів, які розвиваються під очисним відбором — типом природного відбору, який зберігає послідовності генів недоторканими. Багато з цих генів важливі для сперматогенезу. Це означає, що Y-хромосома навряд чи зникне найближчим часом».

Дослідники виявили, що багато генів Y-хромосоми, здається, використовують дві стратегії для виживання. Перший використовує перевагу генетичної надлишковості — наявності кількох копій одного гена в хромосомі — так що непошкоджені копії гена можуть компенсувати копії, які можуть отримати мутації. Команда кількісно оцінила цю генетичну надлишковість, вперше завершивши ландшафт багатокопійних сімейств генів на статевих хромосомах людиноподібних мавп.

Друга стратегія виживання використовує переваги паліндромів, де послідовність літер в алфавіті ДНК супроводжується такою ж, але інвертованою послідовністю, наприклад, ACTG-GTCA. Коли гени розташовані в межах паліндрому, вони отримують користь від здатності паліндрому виправляти мутації.

«Ми виявили, що Y-хромосома може обмінюватися генетичною інформацією сама з собою між повторюваними послідовностями двох плечей паліндрому, які складаються так, що інвертовані послідовності вирівнюються», — сказав Пал. «Коли дві копії одного гена розташовані в паліндромах, і одна копія уражена мутацією, мутація може бути врятована генетичним обміном з іншою копією. Це може компенсувати відсутність обміну генетичною інформацією Y з іншими хромосомами».

Дослідницька група також вперше отримала повні послідовності паліндромів на статевих хромосомах людиноподібної мавпи, оскільки раніше їх було важко секвенувати та вивчати. Вони виявили, що паліндроми особливо рясні та довгі на Y-хромосомі мавпи, але зазвичай вони спільні лише для близькоспоріднених видів.

Досягнення в дослідженні генома мавп

У співпраці з Майклом Шатцем і його командою з Університету Джона Гопкінса дослідники також вивчили статеві хромосоми 129 окремих горил і шимпанзе, щоб краще зрозуміти генетичні варіації в кожному виді та знайти докази природного відбору та інших еволюційних сил, що діють на них.

«Ми отримали суттєву нову інформацію від раніше вивчених особин горил і шимпанзе, узгодивши зчитування їхньої послідовності статевих хромосом з нашими новими еталонними послідовностями», — сказав Захарі Шпіх, доцент кафедри біології Пенсільванського університету та автор статті. «Хоча збільшення розміру вибірки в майбутньому буде дуже корисним для покращення нашої здатності виявляти сигнатури різних еволюційних сил, це може бути складно з етичної та логістичної точки зору при роботі з видами, що знаходяться під загрозою зникнення, тому дуже важливо, щоб ми могли отримати максимальну віддачу від дані, які ми маємо».

Дослідники досліджували різноманітні фактори, які могли б пояснити варіації Y-хромосоми в горил і шимпанзе, і цей аналіз виявив додаткові ознаки очищувального відбору на Y. Це підтверджує роль цього типу природного відбору на Y, як це було виявлені в їхніх попередніх аналізах генів.

Наслідки для майбутніх досліджень і зусиль щодо збереження

«Потужна комбінація біоінформаційних методів та еволюційного аналізу, яку ми використали, дозволяє нам краще пояснити еволюційні процеси, що діють на статеві хромосоми наших найближчих живих родичів, людиноподібних мавп», — сказав Крістіан Губер, доцент кафедри біології Пенсільванського університету та автор книги папір, документ. «Крім того, еталонні геноми, які ми створили, будуть корисними для майбутніх досліджень еволюції приматів і захворювань людини».