Genomas de referencia completos "de extremo a extremo" recientemente generados para los cromosomas sexuales de cinco especies de grandes simios y una especie de simios menores, producidos por un equipo colaborativo internacional dirigido por investigadores de Penn State, el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano y la Universidad. de Washington—destacan cambios extremadamente rápidos en el cromosoma Y específico de los machos entre las especies de simios.
Estos hallazgos arrojan luz sobre la evolución de los cromosomas sexuales e informan sobre las enfermedades relacionadas con los genes de estos cromosomas tanto en simios como en humanos. El nuevo estudio aparece en la revista Nature .
"El cromosoma Y es importante para la fertilidad humana, y el cromosoma X alberga genes críticos para la reproducción, la cognición y la inmunidad", dijo Kateryna Makova, catedrática de Ciencias de la Vida Verne M. Willaman, profesora de biología en Penn State y líder del equipo de investigación. .
"Nuestro estudio abre las puertas a muchas investigaciones futuras sobre los cromosomas sexuales, cómo evolucionaron y las enfermedades asociadas con ellos. Todas las especies de grandes simios no humanos que estudiamos están en peligro de extinción. La disponibilidad de sus secuencias completas de cromosomas sexuales facilitará los estudios de su dispersión específica del sexo en la naturaleza y de sus genes importantes para la reproducción y la fertilidad."
Estos genomas de referencia actúan como un ejemplo representativo que resulta útil para futuros estudios de estas especies. El equipo descubrió que, en comparación con el cromosoma X, el cromosoma Y varía mucho entre especies de simios y alberga muchas secuencias específicas de cada especie. Sin embargo, todavía está sujeto a la selección natural purificadora, una fuerza evolutiva que protege su información genética eliminando mutaciones dañinas.
"Los investigadores secuenciaron el genoma humano en 2001, pero en realidad no estaba completo", dijo Makova. "La tecnología disponible en ese momento significó que ciertas brechas no se llenaran hasta un esfuerzo renovado liderado por el Consorcio Telomere-to-Telomere, o T2T, en 2022-23. Aprovechamos los métodos experimentales y computacionales desarrollados por Human T2T Consorcio para determinar las secuencias completas de los cromosomas sexuales de nuestros parientes vivos más cercanos:los grandes simios."
El equipo produjo secuencias completas de cromosomas sexuales para cinco especies de grandes simios:chimpancé, bonobo, gorila, orangután de Borneo y orangután de Sumatra, que comprenden la mayoría de las especies de grandes simios que viven en la actualidad, así como un simio menor, el siamang. Generaron secuencias para un individuo de cada especie.
Los genomas de referencia resultantes actúan como un mapa de genes y otras regiones cromosómicas, lo que puede ayudar a los investigadores a secuenciar y ensamblar los genomas de otros individuos de esa especie. Las secuencias anteriores de cromosomas sexuales para estas especies estaban incompletas o, para el orangután y el siamang de Borneo, no existían.
"La secuenciación del cromosoma Y ha sido un desafío porque contiene muchas regiones repetitivas y, debido a que la tecnología tradicional de secuenciación de lectura corta decodifica secuencias en ráfagas cortas, es difícil poner los segmentos resultantes en el orden correcto", dijo Karol Pál, investigador postdoctoral investigador de Penn State y coprimer autor del estudio.
"Los métodos T2T utilizan tecnologías de secuenciación de lectura larga que superan este desafío. Combinado con los avances en el análisis computacional, en el que colaboramos con el grupo de Adam Phillippy en el NHGRI, esto nos permitió resolver completamente regiones repetitivas que antes eran difíciles de secuenciar y ensamblar.
"Al comparar los cromosomas X e Y entre sí y entre especies, incluidas las secuencias T2T humanas previamente generadas de X e Y, aprendimos muchas cosas nuevas sobre su evolución".
"Los cromosomas sexuales comenzaron como cualquier otro par de cromosomas, pero el Y ha sido único al acumular muchas deleciones, otras mutaciones y elementos repetitivos porque no intercambia información genética con otros cromosomas en la mayor parte de su longitud", dijo Makova, quien también es la director del Centro de Genómica Médica de Penn State.
Como resultado, en las seis especies de simios, el equipo de investigación descubrió que el cromosoma Y era mucho más variable que el X en una variedad de características, incluido el tamaño. Entre los simios estudiados, el tamaño del cromosoma X varía desde 154 millones de letras del alfabeto ACTG (que representan los nucleótidos que forman el ADN) en chimpancés y humanos hasta 178 millones de letras en gorilas. Por el contrario, el cromosoma Y oscila entre 30 millones de letras de ADN en el siamang y 68 millones de letras en el orangután de Sumatra.
La cantidad de secuencia de ADN compartida entre especies también fue más variable en el Y. Por ejemplo, alrededor del 98% del cromosoma X se alinea entre humanos y chimpancés, pero sólo alrededor de un tercio del Y se alinea entre ellos. Los investigadores descubrieron que esto se debe en parte a que es más probable que el cromosoma Y se reorganice o que se dupliquen partes de su material genético.
Además, el porcentaje del cromosoma ocupado por secuencias que se repiten es muy variable en el Y. Mientras que, dependiendo de la especie, del 62% al 66% de los cromosomas X están ocupados por elementos repetitivos, del 71% al 85% de los Y Los cromosomas están ocupados por ellos. Estos porcentajes son mayores tanto en el X como en el Y que en otros cromosomas del genoma humano.
"Descubrimos que el simio Y se estaba reduciendo, acumulando muchas mutaciones y repeticiones, y perdiendo genes", dijo Makova.
"Entonces, ¿por qué no ha desaparecido el cromosoma Y, como sugerían algunas hipótesis anteriores? En colaboración con Sergei Kosakovsky Pond de la Universidad de Temple y otros, descubrimos que el cromosoma Y todavía tiene varios genes que evolucionan mediante selección purificadora, un tipo de proceso natural. selección que mantiene intactas las secuencias genéticas. Muchos de estos genes son importantes para la espermatogénesis. Esto significa que es poco probable que el cromosoma Y desaparezca pronto".
Los investigadores descubrieron que muchos genes del cromosoma Y parecen utilizar dos estrategias para sobrevivir. El primero aprovecha la redundancia genética (la presencia de múltiples copias del mismo gen en un cromosoma) de modo que las copias intactas del gen puedan compensar las copias que podrían adquirir mutaciones. El equipo cuantificó esta redundancia genética completando por primera vez el panorama de familias de genes de copias múltiples en los cromosomas sexuales de los simios.
La segunda estrategia de supervivencia aprovecha los palíndromos, donde la secuencia de letras del alfabeto del ADN va seguida de la misma secuencia, pero invertida, por ejemplo, ACTG-GTCA. Cuando se encuentran dentro de un palíndromo, los genes se benefician de la capacidad del palíndromo para corregir mutaciones.
"Descubrimos que el cromosoma Y puede intercambiar información genética consigo mismo entre las secuencias repetidas de los dos brazos palíndromos, que se pliegan de modo que las secuencias invertidas se alinean", afirmó Pál.
"Cuando dos copias del mismo gen se encuentran dentro de palíndromos y una copia sufre una mutación, la mutación puede rescatarse mediante el intercambio genético con otra copia. Esto puede compensar la falta de intercambio de información genética del Y con los otros cromosomas. ."
El equipo de investigación obtuvo también por primera vez las secuencias completas de palíndromos en los cromosomas sexuales de los simios, ya que antes eran difíciles de secuenciar y estudiar. Descubrieron que los palíndromos son particularmente abundantes y largos en el cromosoma Y del simio, aunque normalmente sólo se comparten entre especies estrechamente relacionadas.
En colaboración con Michael Schatz y su equipo de la Universidad Johns Hopkins, los investigadores también estudiaron los cromosomas sexuales de 129 gorilas y chimpancés individuales para comprender mejor la variación genética dentro de cada especie y buscar evidencia de la selección natural y otras fuerzas evolutivas que actúan sobre ellos.
"Obtuvimos nueva información sustancial de gorilas y chimpancés previamente estudiados al alinear las lecturas de secuenciación de sus cromosomas sexuales con nuestras nuevas secuencias de referencia", afirmó Zachary Szpiech, profesor asistente de biología en Penn State y autor del artículo.
"Si bien aumentar el tamaño de la muestra en el futuro será muy útil para mejorar nuestra capacidad de detectar firmas de diferentes fuerzas evolutivas, esto puede ser un desafío ético y logístico cuando se trabaja con especies en peligro de extinción, por lo que es fundamental que podamos aprovechar al máximo los datos que tenemos."
Los investigadores exploraron una variedad de factores que podrían explicar la variación en el cromosoma Y dentro de gorilas y chimpancés, y este análisis reveló firmas adicionales de selección purificadora en el Y. Esto confirma el papel de este tipo de selección natural en el Y, como lo fue descubierto en sus análisis previos de genes.
"La poderosa combinación de técnicas bioinformáticas y análisis evolutivos que utilizamos nos permite explicar mejor los procesos evolutivos que actúan sobre los cromosomas sexuales en nuestros parientes vivos más cercanos, los grandes simios", dijo Christian Huber, profesor asistente de biología en Penn State y autor de el papel. "Además, los genomas de referencia que produjimos serán fundamentales para futuros estudios sobre la evolución de los primates y las enfermedades humanas".
Más información: Kateryna Makova, La secuencia completa y análisis comparativo de los cromosomas sexuales de los simios, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07473-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07473-2
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
