Nygenererade, kompletta "end-to-end" referensgenom för könskromosomerna hos fem arter av människoapor och en mindre apaart – producerade av ett internationellt samarbetsteam ledd av forskare vid Penn State, National Human Genome Research Institute och universitetet i Washington – lyft fram extremt snabba förändringar på den mansspecifika Y-kromosomen bland apor.
Dessa fynd belyser utvecklingen av könskromosomer och ger förståelse för sjukdomar relaterade till gener på dessa kromosomer hos både apor och människor. Den nya studien visas i tidskriften Nature .
"Y-kromosomen är viktig för människans fertilitet, och X-kromosomen innehåller gener som är avgörande för reproduktion, kognition och immunitet", säger Kateryna Makova, Verne M. Willamans ordförande för biovetenskap, professor i biologi vid Penn State och ledare för forskargruppen. .
"Vår studie öppnar dörrar för många framtida undersökningar av könskromosomer, hur de utvecklats och sjukdomar associerade med dem. De levande icke-mänskliga människoapor som vi studerade är alla utrotningshotade. Tillgången till deras kompletta könskromosomsekvenser kommer att underlätta studier av deras könsspecifik spridning i det vilda och av deras gener som är viktiga för reproduktion och fertilitet."
Sådana referensgenom fungerar som ett representativt exempel som är användbart för framtida studier av dessa arter. Teamet fann att, jämfört med X-kromosomen, varierar Y-kromosomen mycket mellan apor och har många artspecifika sekvenser. Men det är fortfarande föremål för renande naturligt urval – en evolutionär kraft som skyddar dess genetiska information genom att ta bort skadliga mutationer.
"Forskare sekvenserade det mänskliga genomet 2001, men det var faktiskt inte komplett," sa Makova. "Den teknik som var tillgänglig vid den tiden innebar att vissa luckor inte fylldes i förrän en förnyad insats ledd av Telomere-to-Telomere, eller T2T, Consortium 2022-23. Vi utnyttjade de experimentella och beräkningsmetoder som utvecklats av Human T2T Konsortium för att bestämma de fullständiga sekvenserna för könskromosomerna hos våra närmaste levande släktingar - människoapor."
Teamet producerade kompletta könskromosomsekvenser för fem arter av människoapor - schimpans, bonobo, gorilla, Bornean orangutang och Sumatran orangutang, som omfattar de flesta människoapor som lever idag - såväl som en mindre apa, siamang. De genererade sekvenser för en individ av varje art.
De resulterande referensgenomen fungerar som en karta över gener och andra kromosomala regioner, vilket kan hjälpa forskare att sekvensera och sammanställa genomen från andra individer av den arten. Tidigare könskromosomsekvenser för dessa arter var ofullständiga eller — för Bornean-orangutangen och siamangen — existerade inte.
"Y-kromosomen har varit utmanande att sekvensera eftersom den innehåller många repetitiva regioner, och eftersom traditionell kortläst sekvenseringsteknik avkodar sekvenser i korta skurar är det svårt att placera de resulterande segmenten i rätt ordning", säger Karol Pál, postdoktor. forskare vid Penn State och en av studiens första författare.
"T2T-metoder använder långlästa sekvenseringsteknologier som övervinner denna utmaning. I kombination med framsteg inom beräkningsanalys, där vi samarbetade med Adam Phillippys grupp på NHGRI, tillät detta oss att helt lösa repetitiva regioner som tidigare var svåra att sekvensera och montera.
"Genom att jämföra X- och Y-kromosomerna med varandra och mellan arter, inklusive de tidigare genererade mänskliga T2T-sekvenserna av X och Y, lärde vi oss många nya saker om deras utveckling."
"Sexkromosomerna startade som alla andra kromosompar, men Y har varit unikt i att ackumulera många deletioner, andra mutationer och repetitiva element eftersom det inte utbyter genetisk information med andra kromosomer över större delen av sin längd", säger Makova, som också är chef för Center for Medical Genomics i Penn State.
Som ett resultat, över de sex apearterna, fann forskargruppen att Y-kromosomen var mycket mer variabel än X över en mängd olika egenskaper, inklusive storlek. Bland de studerade aporna varierar X-kromosomen i storlek från 154 miljoner bokstäver i ACTG-alfabetet – som representerar nukleotiderna som utgör DNA – hos schimpanser och människor till 178 miljoner bokstäver i gorilla. Däremot varierar Y-kromosomen från 30 miljoner DNA-bokstäver i siamang till 68 miljoner bokstäver i sumatransk orangutang.
Mängden DNA-sekvens som delas mellan arter var också mer varierande på Y. Till exempel, ungefär 98% av X-kromosomen är i linje mellan människa och schimpans, men bara ungefär en tredjedel av Y ligger i linje mellan dem. Forskarna fann att detta delvis beror på att Y-kromosomen är mer sannolikt att omarrangeras eller att delar av dess genetiska material dupliceras.
Dessutom är procentandelen av kromosomerna som upptas av sekvenser som upprepas mycket varierande på Y. Medan, beroende på art, 62 % till 66 % av X-kromosomerna är upptagna av repetitiva element, 71 % till 85 % av Y. kromosomerna är upptagna av dem. Dessa procentsatser är högre på både X och Y än i andra kromosomer i det mänskliga genomet.
"Vi fann att apan Y krympte, ackumulerade många mutationer och upprepningar och förlorade gener," sa Makova.
"Så varför har inte Y-kromosomen försvunnit, som vissa tidigare hypoteser antydde? I samarbete med Sergei Kosakovsky Pond från Temple University och andra fann vi att Y-kromosomen fortfarande har ett antal gener som utvecklas under renande urval - en typ av naturlig selektion som håller gensekvenser intakta. Många av dessa gener är viktiga för spermatogenesen. Detta betyder att Y-kromosomen knappast kommer att försvinna
Forskarna fann att många gener på Y-kromosomen verkar använda två strategier för att överleva. Den första drar fördel av genetisk redundans - närvaron av flera kopior av samma gen på en kromosom - så att intakta kopior av genen kan kompensera för kopior som kan förvärva mutationer. Teamet kvantifierade denna genetiska redundans genom att för första gången fullborda landskapet av genfamiljer med flera kopior på apens sexkromosomer.
Den andra överlevnadsstrategin drar fördel av palindromer, där sekvensen av bokstäver i DNA-alfabetet följs av samma, men inverterade sekvens, till exempel ACTG-GTCA. När de är lokaliserade inom ett palindrom drar gener nytta av palindromens förmåga att korrigera mutationer.
"Vi fann att Y-kromosomen kan utbyta genetisk information med sig själv mellan de upprepade sekvenserna av de två palindromarmarna, som viker sig så att de inverterade sekvenserna anpassas," sa Pál.
"När två kopior av samma gen finns inom palindromer, och en kopia drabbas av en mutation, kan mutationen räddas genom det genetiska utbytet med en annan kopia. Detta kan kompensera för Y:s brist på genetiskt informationsutbyte med de andra kromosomerna ."
Forskargruppen fick även för första gången de kompletta sekvenserna av palindromer på apens sexkromosomer, eftersom de tidigare var svåra att sekvensera och studera. De fann att palindromer är särskilt rikliga och långa på apans Y-kromosom, men de delas vanligtvis bara mellan närbesläktade arter.
I samarbete med Michael Schatz och hans team vid Johns Hopkins University studerade forskarna även könskromosomerna hos 129 individuella gorillor och schimpanser för att bättre förstå den genetiska variationen inom varje art och söka efter bevis på naturligt urval och andra evolutionära krafter som verkar på dem.
"Vi fick mycket ny information från tidigare studerade gorilla- och schimpansindivider genom att anpassa deras könskromosomsekvenser till våra nya referenssekvenser", säger Zachary Szpiech, biträdande professor i biologi vid Penn State och författare till tidningen.
"Även om en ökning av urvalsstorleken i framtiden kommer att vara till stor hjälp för att förbättra vår förmåga att upptäcka signaturer av olika evolutionära krafter, kan detta vara etiskt och logistiskt utmanande när vi arbetar med hotade arter, så det är avgörande att vi kan få ut det mesta av data vi har."
Forskarna undersökte en mängd olika faktorer som kunde förklara variationen på Y-kromosomen inom gorillor och inom schimpanser, och denna analys avslöjade ytterligare signaturer för renande urval på Y. Detta bekräftar rollen av denna typ av naturligt urval på Y, vilket var upptäckt i sina tidigare analyser av gener.
"Den kraftfulla kombinationen av bioinformatiska tekniker och evolutionära analyser som vi använde gör att vi bättre kan förklara de evolutionära processer som verkar på könskromosomer hos våra närmaste levande släktingar, människoapor", säger Christian Huber, biträdande professor i biologi vid Penn State och författare till pappret. "Dessutom kommer referensgenomerna vi producerade att vara instrumentella för framtida studier av primaters evolution och mänskliga sjukdomar."
Mer information: Kateryna Makova, Den kompletta sekvensen och jämförande analysen av apens könskromosomer, Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07473-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07473-2
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
