Genomi di riferimento "end-to-end" completi e di nuova generazione per i cromosomi sessuali di cinque specie di grandi scimmie e di una specie di scimmie minori, prodotti da un team collaborativo internazionale guidato da ricercatori della Penn State, del National Human Genome Research Institute e dell'Università di Washington - evidenziano cambiamenti estremamente rapidi sul cromosoma Y specifico del maschio nelle specie di scimmie.
Queste scoperte fanno luce sull’evoluzione dei cromosomi sessuali e aiutano a comprendere le malattie legate ai geni presenti su questi cromosomi sia nelle scimmie che negli esseri umani. Il nuovo studio appare sulla rivista Nature .
"Il cromosoma Y è importante per la fertilità umana, e il cromosoma X ospita geni critici per la riproduzione, la cognizione e l'immunità", ha affermato Kateryna Makova, Verne M. Willaman Chair of Life Sciences, professore di biologia alla Penn State e leader del gruppo di ricerca .
"Il nostro studio apre le porte a molte future indagini sui cromosomi sessuali, su come si sono evoluti e sulle malattie ad essi associate. Le specie viventi di grandi scimmie antropomorfe non umane che abbiamo studiato sono tutte in pericolo. La disponibilità delle loro sequenze complete di cromosomi sessuali faciliterà gli studi sui loro dispersione specifica per sesso in natura e dei loro geni importanti per la riproduzione e la fertilità."
Tali genomi di riferimento fungono da esempio rappresentativo utile per studi futuri su queste specie. Il team ha scoperto che, rispetto al cromosoma X, il cromosoma Y varia notevolmente tra le specie di scimmie e ospita molte sequenze specie-specifiche. Tuttavia, è ancora soggetto alla selezione naturale purificatrice, una forza evolutiva che protegge le sue informazioni genetiche rimuovendo mutazioni dannose.
"I ricercatori hanno sequenziato il genoma umano nel 2001, ma in realtà non era completo", ha detto Makova. "La tecnologia disponibile all'epoca significava che alcune lacune non venivano colmate fino a un rinnovato sforzo guidato dal Consorzio Telomere-to-Telomere, o T2T, nel 2022-23. Abbiamo sfruttato i metodi sperimentali e computazionali sviluppati da Human T2T Consorzio per determinare le sequenze complete dei cromosomi sessuali dei nostri parenti viventi più prossimi:le grandi scimmie."
Il team ha prodotto sequenze complete di cromosomi sessuali per cinque specie di grandi scimmie – scimpanzé, bonobo, gorilla, orango del Borneo e orango di Sumatra, che comprendono la maggior parte delle grandi specie di scimmie viventi oggi – oltre a una scimmia minore, il siamang. Hanno generato sequenze per un individuo di ciascuna specie.
I genomi di riferimento risultanti agiscono come una mappa di geni e altre regioni cromosomiche, che può aiutare i ricercatori a sequenziare e assemblare i genomi di altri individui di quella specie. Le precedenti sequenze di cromosomi sessuali per queste specie erano incomplete o, per l'orango del Borneo e il siamang, non esistevano.
"Il cromosoma Y è stato difficile da sequenziare perché contiene molte regioni ripetitive e, poiché la tradizionale tecnologia di sequenziamento a lettura breve decodifica le sequenze in brevi sequenze, è difficile mettere i segmenti risultanti nell'ordine corretto", ha affermato Karol Pál, ricercatore post-dottorato. ricercatore presso la Penn State e co-primo autore dello studio.
"I metodi T2T utilizzano tecnologie di sequenziamento a lunga lettura che superano questa sfida. Combinato con i progressi nell'analisi computazionale, su cui abbiamo collaborato con il gruppo di Adam Phillippy presso l'NHGRI, questo ci ha permesso di risolvere completamente regioni ripetitive che in precedenza erano difficili da sequenziare e assemblare.
"Confrontando i cromosomi X e Y tra loro e tra le specie, comprese le sequenze T2T umane precedentemente generate dell'X e dell'Y, abbiamo imparato molte cose nuove sulla loro evoluzione."
"I cromosomi sessuali sono nati come qualsiasi altra coppia di cromosomi, ma il cromosoma Y è stato unico nell'accumulare molte delezioni, altre mutazioni ed elementi ripetitivi perché non scambia informazioni genetiche con altri cromosomi per gran parte della sua lunghezza", ha detto Makova, che è anche la direttore del Center for Medical Genomics della Penn State.
Di conseguenza, nelle sei specie di scimmie, il gruppo di ricerca ha scoperto che il cromosoma Y era molto più variabile rispetto a quello X su una varietà di caratteristiche, inclusa la dimensione. Tra le scimmie studiate, le dimensioni del cromosoma X variano da 154 milioni di lettere dell'alfabeto ACTG - che rappresentano i nucleotidi che compongono il DNA - nello scimpanzé e nell'uomo, a 178 milioni di lettere nel gorilla. Al contrario, il cromosoma Y varia da 30 milioni di lettere di DNA nel siamang a 68 milioni di lettere nell'orango di Sumatra.
Anche la quantità di sequenza di DNA condivisa tra le specie era più variabile sull'Y. Ad esempio, circa il 98% del cromosoma X si allinea tra uomo e scimpanzé, ma solo circa un terzo dell'Y si allinea tra di loro. I ricercatori hanno scoperto che ciò è in parte dovuto al fatto che è più probabile che il cromosoma Y venga riorganizzato o che porzioni del suo materiale genetico siano duplicate.
Inoltre, la percentuale del cromosoma occupato da sequenze ripetute è molto variabile sull'Y. Mentre, a seconda della specie, dal 62% al 66% dei cromosomi X sono occupati da elementi ripetitivi, dal 71% all'85% dei cromosomi Y i cromosomi sono occupati da loro. Queste percentuali sono più elevate sia su X che su Y rispetto ad altri cromosomi del genoma umano.
"Abbiamo scoperto che la scimmia Y si sta restringendo, accumulando molte mutazioni e ripetizioni e perdendo geni", ha detto Makova.
"Allora perché il cromosoma Y non è scomparso, come suggerivano alcune ipotesi precedenti? In collaborazione con Sergei Kosakovsky Pond della Temple University e altri, abbiamo scoperto che il cromosoma Y ha ancora un certo numero di geni che si evolvono sotto la selezione purificatrice, un tipo di selezione che mantiene intatte le sequenze genetiche. Molti di questi geni sono importanti per la spermatogenesi, ciò significa che è improbabile che il cromosoma Y scompaia presto."
I ricercatori hanno scoperto che molti geni sul cromosoma Y sembrano utilizzare due strategie per sopravvivere. Il primo sfrutta la ridondanza genetica – la presenza di più copie dello stesso gene su un cromosoma – in modo che le copie intatte del gene possano compensare le copie che potrebbero acquisire mutazioni. Il team ha quantificato questa ridondanza genetica completando per la prima volta il panorama delle famiglie di geni multicopia sui cromosomi sessuali delle scimmie.
La seconda strategia di sopravvivenza si avvale dei palindromi, in cui la sequenza di lettere nell'alfabeto del DNA è seguita dalla stessa sequenza invertita, ad esempio ACTG-GTCA. Quando si trovano all'interno di un palindromo, i geni beneficiano della capacità del palindromo di correggere le mutazioni.
"Abbiamo scoperto che il cromosoma Y può scambiare informazioni genetiche con se stesso tra le sequenze ripetute dei due bracci palindromi, che si piegano in modo che le sequenze invertite si allineino", ha detto Pál.
"Quando due copie dello stesso gene si trovano all'interno di palindromi e una copia viene colpita da una mutazione, la mutazione può essere salvata dallo scambio genetico con un'altra copia. Ciò può compensare il mancato scambio di informazioni genetiche da parte dell'Y con gli altri cromosomi ."
Per la prima volta il gruppo di ricerca ha ottenuto le sequenze complete dei palindromi sui cromosomi sessuali delle scimmie, poiché in precedenza erano difficili da sequenziare e studiare. Hanno scoperto che i palindromi sono particolarmente abbondanti e lunghi sul cromosoma Y delle scimmie, ma di solito sono condivisi solo tra specie strettamente imparentate.
In collaborazione con Michael Schatz e il suo team della Johns Hopkins University, i ricercatori hanno anche studiato i cromosomi sessuali di 129 singoli gorilla e scimpanzé per comprendere meglio la variazione genetica all’interno di ciascuna specie e cercare prove della selezione naturale e di altre forze evolutive che agiscono su di loro.
"Abbiamo ottenuto nuove informazioni sostanziali da individui di gorilla e scimpanzé precedentemente studiati allineando le letture del loro sequenziamento dei cromosomi sessuali alle nostre nuove sequenze di riferimento", ha affermato Zachary Szpiech, assistente professore di biologia alla Penn State e autore dell'articolo.
"Sebbene aumentare la dimensione del campione in futuro sarà molto utile per migliorare la nostra capacità di rilevare le tracce di diverse forze evolutive, ciò può essere eticamente e logisticamente impegnativo quando si lavora con specie in via di estinzione, quindi è fondamentale poter ottenere il massimo da i dati che abbiamo."
I ricercatori hanno esplorato una varietà di fattori che potrebbero spiegare la variazione sul cromosoma Y nei gorilla e negli scimpanzé, e questa analisi ha rivelato ulteriori segni di selezione purificatrice sull’Y. Ciò conferma il ruolo di questo tipo di selezione naturale sull’Y, come è stato scoperto nelle loro precedenti analisi dei geni.
"La potente combinazione di tecniche bioinformatiche e analisi evolutive che abbiamo utilizzato ci permette di spiegare meglio i processi evolutivi che agiscono sui cromosomi sessuali nei nostri parenti viventi più prossimi, le grandi scimmie", ha affermato Christian Huber, assistente professore di biologia alla Penn State e autore di la carta. "Inoltre, i genomi di riferimento che abbiamo prodotto saranno fondamentali per gli studi futuri sull'evoluzione dei primati e sulle malattie umane."
Ulteriori informazioni: Kateryna Makova, La sequenza completa e l'analisi comparativa dei cromosomi sessuali delle scimmie, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07473-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07473-2
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Pennsylvania State University
