Хромосомы обезьян: ключ к разгадке эволюционных тайн человека

Команда ученых, финансируемая Национальными институтами здравоохранения США (NIH), впервые расшифровала полные последовательности хромосом у неприматов. Данные, опубликованные в журнале Nature, показывают значительные различия между Y-хромосомами различных видов и выявляют ранее неизученные участки геномов больших обезьян.

Поскольку приматы являются ближайшими живыми родственниками человека, новые последовательности могут дать ценные сведения о эволюции человека. Ученые сосредоточили внимание на X и Y хромосомах, которые играют важную роль в половом развитии и фертильности, а также во многих других биологических функциях.

Уникальные открытия

Ученые секвенировали хромосомы пяти видов больших обезьян: шимпанзе, бонобо, гориллы, борнейского и суматранского орангутанов, а также одного более отдаленного родственника человека — сиаманга (вид гиббона).

«Эти хромосомные последовательности добавляют значительное количество новой информации», — сказал Брендон Пикетт, доктор философии, сотрудник Национального института исследования генома человека (NHGRI) и один из авторов исследования. «До этого только геном шимпанзе был относительно полным, но и в нем оставались большие пробелы, особенно в областях с повторяющимися ДНК».

Анализируя новые последовательности, исследователи выяснили, что от 62 до 66% X-хромосом и от 75 до 82% Y-хромосом состоят из повторяющихся ДНК. Эти последовательности гораздо сложнее для изучения, и исследование повторяющейся ДНК стало возможным лишь благодаря новым технологиям секвенирования ДНК и методам анализа.

Быстрая эволюция Y-хромосомы

В стремлении разгадать эволюционную историю человеческих половых хромосом ученые провели сравнительный анализ последовательностей ДНК X и Y хромосом у людей и высших приматов. Подобно человеческим X и Y хромосомам, Y-хромосомы у больших обезьян содержат значительно меньше генов по сравнению с их X-хромосомными аналогами. Проведя детальное сопоставление геномных последовательностей, исследователи попытались восстановить путь эволюционного развития этих важнейших хромосом и понять, какие генетические изменения привели к формированию их современного облика.

Исследователи использовали вычислительный метод, называемый выравниванием, который указывает области хромосомы, остававшиеся относительно неизменными на протяжении эволюции, показывая влияние различных эволюционных факторов на разные части генома.

Они обнаружили, что более 90% последовательностей X-хромосомы обезьян выравниваются с человеческой X-хромосомой, что показывает относительную неизменность X-хромосом за миллионы лет эволюции. Однако лишь от 14 до 27% последовательностей Y-хромосомы обезьян выравниваются с человеческой Y-хромосомой.

«Степень различий между Y-хромосомами этих видов была очень удивительной», — сказала Екатерина Макова, доктор философии, профессор Университета Пенсильвании и руководитель исследования. «Некоторые из этих видов разошлись с человеческой линией всего семь миллионов лет назад, что по эволюционным меркам не так много времени. Это показывает, что Y-хромосомы эволюционируют очень быстро».

Примечательным различием среди Y-хромосом приматов является их длина. Например, Y-хромосома суматранского орангутана в два раза длиннее Y-хромосомы гиббона. Различия в количестве и типах повторяющихся ДНК объясняют некоторые из этих различий в длине хромосом.

Важность исследования

Один из типов повторов называется палиндромом — это последовательность ДНК, содержащая инверсированные повторы. ДНК-палиндромы похожи на языковые палиндромы, такие как «арозаупаланалапуазора», где последовательность букв одинаковая в обоих направлениях. Однако ДНК-палиндромы могут быть длиной более ста тысяч букв.

Исследователи обнаружили, что ДНК-палиндромы на X и Y хромосомах приматов почти всегда содержат гены, которые повторяются во многих копиях вдоль хромосомы. Большинство генов в геномах приматов имеют только две копии — по одной на каждой хромосоме в паре.

Ученые подозревают, что наличие множества копий в этих палиндромах помогает защитить гены, особенно на Y-хромосоме. Поскольку обычно в клетке присутствует только одна Y-хромосома, если ген на Y-хромосоме поврежден, нет другой хромосомы с копией гена для восстановления повреждения.

«Наличие этих генов в палиндромах подобно созданию резервной копии», — сказал Адам Филлиппи, доктор философии, старший научный сотрудник NHGRI и старший автор исследования. «Мы знаем, что многие из этих генов выполняют важные функции, и поэтому ожидали увидеть те же гены в палиндромах у разных видов, но это не так».

Исследователи изучили несколько групп генов, содержащихся в палиндромах, многие из которых играют роль в производстве спермы и, следовательно, важны для фертильности. Хотя палиндромы были обнаружены на всех изученных Y-хромосомах приматов, конкретные последовательности палиндромов и гены в этих палиндромах часто были уникальны для каждого вида.

Эти последовательности хромосом обезьян также включают последовательности другого типа повтора, называемого ДНК-сателлитом, который представляет собой большой участок повторяющейся последовательности. Среди хромосом больших обезьян исследователи выявили несколько ранее неизвестных видоспецифичных сателлитных последовательностей.

Эти последовательности дают важные сведения о геномах больших обезьян, так как ДНК-сателлиты присутствуют по всему геному. Особенно они сосредоточены вблизи концов хромосом, называемых теломерами, и в другой области, называемой центромерой, которая помогает хромосомам организоваться во время деления клетки.

Центромерные последовательности этих видов были совершенно неизвестны до этого исследования и другого недавнего научного проекта, проведенного многими из тех же исследователей.

«Наличие сателлитных последовательностей от больших обезьян открывает новые территории для исследований», — сказала доктор Макова. «И, подобно нашим другим выводам о Y-хромосоме, мы видим, что центромера Y-хромосомы очень динамична».

Эти последовательности хромосом могут помочь исследователям изучать эволюцию больших обезьян, включая человека. Ученые в настоящее время работают над описанием полных геномов этих видов больших обезьян, но даже сами по себе последовательности X и Y хромосом дают много информации, особенно о тех эволюционных силах, которые способствуют быстрому развитию Y-хромосомы.

Одним из факторов является то, что обычно в клетке присутствует только одна Y-хромосома, что приводит к накоплению изменений в последовательности ДНК. Другим эволюционным фактором, по словам доктора Маковой, является явление, известное как мужской мутационный сдвиг. В отличие от производства яйцеклеток, производство сперматозоидов включает большее количество репликаций ДНК. С каждой репликацией есть вероятность изменения последовательности ДНК, что влияет на все хромосомы, но особенно сильно на Y-хромосому.

Другим возможным фактором является небольшой размер популяции, который может влиять на скорости эволюции. Не только у этих видов обезьян ограниченные популяции в дикой природе, но и Y-хромосомы присутствуют только у половины популяции, что еще больше ограничивает эффективный размер популяции этой части генома.

«Важно помнить, что все эти виды больших обезьян находятся под угрозой исчезновения», — сказала доктор Макова. «Мы можем не только узнать об эволюции человека из этих последовательностей, но и применить наши знания о геномах этих видов и человеческих геномах, чтобы лучше понять биологию и репродукцию исчезающих видов».