Исследователи расшифровывают эволюцию Y-хромосомы у человекообразных обезьян

Исследователи разрабатывают новый дешевый метод выявления агрессивных опухолей

Новый анализ последовательности ДНК специфичных для самцов Y-хромосом у всех живых видов семейства больших обезьян помогает прояснить наше понимание того, как развивалась эта загадочная хромосома. Более четкая картина эволюции Y-хромосомы важна для изучения мужской фертильности у людей, а также для нашего понимания моделей воспроизводства и способности отслеживать мужские линии у человекообразных обезьян, что может помочь в усилиях по сохранению этих исчезающих видов.

Группа биологов и компьютерных специалистов из Пенсильванского университета секвенировала и собрала Y-хромосому орангутана и бонобо и сравнила эти последовательности с существующими Y-последовательностями человека, шимпанзе и гориллы. Из сравнения, команда смогла прояснить закономерности эволюции, которые, по-видимому, соответствуют поведенческим различиям между видами, и восстановить модель того, как могла выглядеть Y-хромосома у предка всех человекообразных обезьян.

Статья с описанием исследования появится 5 октября 2020 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

Y-хромосома важна для мужской фертильности и содержит гены, важные для производства спермы, но ее часто игнорируют в геномных исследованиях, потому что ее так сложно секвенировать и собрать. Y-хромосома содержит множество повторяющихся последовательностей, которые затрудняют секвенирование ДНК, сборку последовательностей и выравнивание последовательностей для сравнения. Не существует готовых программных пакетов для работы с Y-хромосомой, поэтому нам пришлось преодолеть эти препятствия и оптимизировать наши экспериментальные и вычислительные протоколы, что позволило нам решать интересные биологические вопросы ».

Моника Чехова, аспирантка Пенсильванского университета на момент исследования и соавтор статьи

Необычная Y-хромосома. Он содержит относительно немного генов, многие из которых участвуют в определении мужского пола и выработке спермы; большие участки повторяющейся ДНК, короткие последовательности, повторяющиеся снова и снова; и большие палиндромы ДНК, инвертированные повторы, которые могут состоять из многих тысяч букв и читать то же самое вперед и назад.

Предыдущая работа группы по сравнению последовательностей человека, шимпанзе и гориллы выявила некоторые неожиданные закономерности. Люди более тесно связаны с шимпанзе, но по некоторым характеристикам человеческий Y был больше похож на гориллу Y.

«Если вы просто сравните идентичность последовательностей – сравнивая As, Ts, Cs и Gs хромосом, – люди больше похожи на шимпанзе, как и следовало ожидать», – сказала Катерина Макова, профессор биологии Pentz в Penn State и один из руководителей исследовательской группы. «Но если вы посмотрите, какие гены присутствуют, типы повторяющихся последовательностей и общие палиндромы, люди будут больше похожи на горилл. Нам нужна была Y-хромосома более крупных видов обезьян, чтобы выявить детали того, что происходило. "

Команда, таким образом, секвенировала Y-хромосому бонобо, близкого родственника шимпанзе, и орангутана, более отдаленного родственника большой обезьяны. С помощью этих новых последовательностей исследователи смогли увидеть, что бонобо и шимпанзе разделяют необычный паттерн ускоренных темпов изменения последовательности ДНК и потери генов, предполагая, что этот паттерн возник до эволюционного раскола между двумя видами. С другой стороны, Y-хромосома орангутана, которая служит внешней группой для обоснования сравнений, выглядела примерно так, как вы ожидаете, исходя из ее известной связи с другими человекообразными обезьянами.

«Наша гипотеза состоит в том, что ускоренные изменения, которые мы наблюдаем у шимпанзе и бонобо, могут быть связаны с их брачными привычками», – сказал Рахулсимхам Вегесна, аспирант Пенсильванского университета и соавтор статьи. «У шимпанзе и бонобо одна самка спаривается с несколькими самцами в течение одного цикла. Это приводит к тому, что мы называем« конкуренцией сперматозоидов », когда сперма нескольких самцов пытается оплодотворить одну яйцеклетку. Мы думаем, что эта ситуация может оказать эволюционное давление. для ускорения изменений в Y-хромосоме шимпанзе и бонобо по сравнению с другими обезьянами с другим паттерном спаривания, но эта гипотеза, хотя и согласуется с нашими выводами, требует оценки в последующих исследованиях »

Помимо выяснения некоторых деталей того, как Y-хромосома развивалась у отдельных видов, команда использовала набор последовательностей великих обезьян, чтобы реконструировать то, как могла бы выглядеть Y-хромосома у предков современных человекообразных обезьян.

«Наличие Y-хромосомы предков великой обезьяны помогает нам понять, как эта хромосома развивалась», – сказал Вегесна. «Например, мы можем видеть, что многие повторяющиеся области и палиндромы на Y уже присутствовали на наследственной хромосоме. Это, в свою очередь, свидетельствует о важности этих особенностей для Y-хромосомы у всех человекообразных обезьян и позволяет нам исследуйте, как они развивались у каждого отдельного вида »

Y-хромосома необычна еще и потому, что, в отличие от большинства хромосом, у нее нет подходящего партнера. Каждый из нас получает две копии хромосом с 1 по 22, а затем некоторые из нас (женщины) получают две X-хромосомы, а некоторые из нас (мужчины) получают одну X и одну Y. Хромосомы-партнеры могут обмениваться секциями в процессе, называемом «рекомбинация», что важно для эволюционного сохранения хромосом. Поскольку Y не имеет партнера, была выдвинута гипотеза, что длинные палиндромные последовательности на Y могут быть способны рекомбинировать сами с собой и, таким образом, по-прежнему сохранять свои гены, но механизм был неизвестен.

«Мы использовали данные метода Hi-C, который фиксирует трехмерную организацию хромосомы, чтобы попытаться увидеть, как облегчается эта« саморекомбинация »», – сказал Чехова. «Мы обнаружили, что области хромосомы, которые рекомбинируют друг с другом, сохраняются в непосредственной близости друг от друга пространственно за счет структуры хромосомы»

«Работа с Y-хромосомой сопряжена с множеством проблем», – сказал Пол Медведев, доцент кафедры информатики и инженерии, биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета и другой руководитель исследовательской группы. «Нам пришлось разработать специализированные методы и вычислительный анализ, чтобы учесть многократно повторяющийся характер последовательности Y. Этот проект действительно междисциплинарный и не мог бы состояться без объединения ученых-вычислителей и ученых-биологов, которые есть в нашей команде. . "

Источник:

Ссылка в журнале:

Чехова М., и др. (2020) Динамическая эволюция Y-хромосом больших обезьян. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2001749117.

Source link