Учёные расшифровали полную генетическую последовательность Y-хромосомы и описали её структурные и нуклеотидные вариации
31 августа 2023В параллельных исследованиях две группы учёных работали с Y-хромосомой: первая команда занималась расшифровкой полной генетической последовательности, вторая изучала структурные варианты и мутации. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Исследование проводилось при поддержке консорциума «Telomere-to-Telomere» (T2T, «От теломеры к теломере») с применением различных методов анализа генома, сочетающих короткие, длинные и сверхдлинные прочтения: Pacific Biosciences HiFi long reads, Oxford Nanopore ultralong reads, Illumina short reads, Strand-seq. С помощью биоинформатических и аналитических подходов была создана полная эталонная сборка Y-хромосомы, охватывающая почти 62,5 миллиона пар нуклеотидов.
«Y-хромосома играет решающую роль в формировании мужских половых признаков и влияет на фертильность, но в предыдущих исследованиях ей уделялось недостаточно внимания. Дело в том, что секвенирование Y-хромосомы затруднено из-за наличия большого количества повторяющихся участков. Это последняя из 24 хромосом человека, последовательность которой удалось полностью расшифровать только сегодня», – объясняет ведущий автор исследования Адам Филиппи (Adam Phillippy), научный сотрудник Национального исследовательского института генома человека (National Human Genome Research Institute), руководитель консорциума T2T.
Учёные обнаружили 30 миллионов пар оснований и 41 белок-кодирующий ген, о которых не сообщалось ранее, аннотировали последовательность изоформ РНК В-лимфоцитов и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, а также оценили экспрессию генов Y-хромосомы. Совокупность новых данных составляет более половины сведений, известных об этой небольшой хромосоме на сегодняшний день.
Одной из команд исследователей удалось описать перестройки Y-хромосомы, влияющие на развитие бесплодия и других нарушений половых функций у мужчин, а также оценить связанные с этим регуляторные механизмы.
«Картирование ранее неизвестных участков генома – важный шаг на пути к изучению их фенотипических и функциональных проявлений. Расшифрованная последовательность Y-хромосомы невероятно важна для исследования полового развития, фертильности, онкологии, генеалогии, эволюции – ведь всё это связано с Y-хромосомой», – считает Филиппи.
В течение длительного времени не удавалось полностью секвенировать Y-хромосому, поскольку она содержит многочисленные повторы, сателлитные и палиндромные последовательности, а также крупные некодирующие участки. Ранее было известно о вкладе Y-хромосомы в развитие мужских половых признаков и фертильности (формирование пола зависит не только от неё), но она влияет и на другие фенотипические проявления.
Одно из последних исследований T2T, основанных на изучении тканей, формирующихся при пузырном заносе при отсутствии Y-хромосомы, позволило дополнить информацию о нуклеотидной последовательности этой хромосомы (результаты работы опубликованы в журнале Science в 2022 году).
Используя новую последовательность, уже удалось получить важные клинические данные: исследователи предположили связь вариаций числа копий нуклеотидов в палиндромных участках с азооспермией – отсутствием сперматозоидов в эякуляте, формой мужского бесплодия.
«Y-хромосома содержит необычно большое количество палиндромных участков, они крайне нестабильны в других областях генома, но по каким-то причинам естественный отбор не влияет на них в структуре половых хромосом. Мы предполагаем, что эти области связаны с формированием азооспермии», – сказал Филиппи.
Исследователи также описали массив генов TSPY, связанных с выработкой спермы. Количество числа копий генов TSPY может варьировать от 10 до 40, вероятно, это необходимо для усиления экспрессии в процессе сперматогенеза. Также обнаружено, что местоположение TSPY2 может различаться из-за замены последовательностей между повторяющимися областями.
Учёные Консорциума Human Genome Structural Variation (Консорциум изучения структурных изменений генома человека) применили методы секвенирования, оптического картирования Bionano Genomics и другие подходы для сравнения последовательностей Y-хромосомы 43 мужчин и обнаружили повторяющиеся вариации, крупные инверсии и различные мутации (результаты исследования опубликованы в журнале Nature).
«Благодаря этим работам научное сообщество наконец-то получило полную эталонную последовательность генома человека с Y-хромосомой, далее стоит провести ассоциативные исследования и включить обнаруженные генетические варианты в клиническую практику. Мы предполагали, что, анализируя геномы неродственных мужчин, удастся выявить широкий спектр особенностей Y-хромосомы, и наша теория подтвердилась. Было невероятно интересно определять структурные и геномные вариации этой хромосомы», – сказал ведущий автор работы Чарльз Ли (Charles Lee), профессор, директор Лаборатории геномной медицины Джексона (Jackson Laboratory for Genomic Medicine).
Исследователи смогли отследить 183 000 лет эволюции человека с помощью анализа консервативных, повторяющихся и вариабельных последовательностей Y-хромосомы.
«Референсная сборка генома Genome Reference Consortium Human Build 38 (GRCh38) базируется на ДНК представителей европейской популяции, однако больше половины Y-хромосом происходят от африканской линии и являются более стабильными в геноме человека. Новая сборка Y-хромосомы даёт более полное представление о генетических вариациях, которые могли возникнуть 180 000 лет назад», – пишут авторы.
В регионах, окружающих плотноспирализованный гетерохроматиновый район Yq12, у 50% участников удалось обнаружить инверсии, включающие локусы DYZ1 и DYZ2, для которых характерна изменчивая сложная организация. Такие результаты свидетельствуют о том, что необходимо продолжать изучать функциональное значение этих участков.
Исследование, посвящённое делеции на Y-хромосоме, ассоциированной с риском развития рака мочевого пузыря, а также прогнозам и подходам, касающимся иммунотерапии, свидетельствует о возможности использования эталонной последовательности и данных о вариациях Y-хромосомы для изучения онкологических и других заболеваний.
«Публикация полной эталонной сборки Y-хромосомы является долгожданным и важным событием. Она позволит обнаружить связи вариаций с конкретным фенотипическими особенностями, лучше понять масштабы изменчивости генома, а также глубже изучить эволюцию человека», – считают авторы.
