Международная группа ученых впервые полностью секвенировала Y-хромосому человека, заполнив ранее имевшиеся пробелы в ее последовательности и добавив в нее 30 млн нуклеотидов. Это поможет в изучении особенностей полового развития, сперматогенеза, а также болезней, сцепленных с Y-хромосомой. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Y-хромосома, как и X-хромосома, является половой хромосомой человека и важна в контексте полового развития. Хотя первое прочтение генома человека было представлено 20 лет назад, в последовательностях всех 24 хромосом оставались пробелы. Только в 2022 году консорциум T2T представил полное прочтение генома человека, заполнив все пробелы, но тогда был представлен геном с двумя X-хромосомами. Полное прочтение последовательности Y-хромосомы было проблематично из-за особенностей ее строения. В Y-хромосоме присутствуют палиндромы — длинные последовательности, которые одинаково читаются в обоих направлениях. Хотя палиндромы присутствуют во всех хромосомах, в Y-хромосоме их длина достигает миллиона нуклеотидов. Кроме того, значительную часть Y-хромосомы составляет так называемая сателлитная ДНК — длинные повторяющиеся участки ДНК, в которой нет генов, кодирующих белки. На Y-хромосоме есть две таких сателлитных ДНК, которые связаны друг с другом. Обе эти особенности значительно затрудняли секвенирование. Дело в том, что обычный подход к секвенированию ДНК требует разрезать ее на короткие фрагменты, затем размножить каждый из них, определить последовательность нуклеотидов — и соединить эти последовательности вместе. При этом приходится ориентироваться на перекрывающиеся участки, одинаковые для фрагментов, которые располагаются по соседству в исходной цепочке ДНК. Однако с Y-хромосомой такой прием не работает: в ней содержится слишком много монотонных повторов, многие из нарезанных фрагментов получаются одинаковыми, и неясно, как и в каком порядке их объединять в цепочку.
В случае с участками, содержащими большое число повторов, это сделать довольно трудно. Ситуацию облегчила разработка технологии нанопорового секвенирования, которая позволяет «прочитывать» более длинные фрагменты ДНК. При этом нити ДНК продавливаются сквозь специальные мембраны с крошечными порами. По мере того как одно звено за другим продвигается сквозь отверстие, тончайшие электроды регистрируют изменения электрического поля. Эти изменения зависят от вида нуклеотида, позволяя определить его вид. Такой подход применил и большой международный коллектив (включая генетиков из России), работавший с Y-хромосомой.
Теперь исследователи представили первую полную последовательность Y-хромосомы человека, заполнив пробелы и добавив 30 млн новых нуклеотидов. Сначала они подробно прочитали геном одного донора, а затем сравнили полученную последовательность с текущим референсным геномом, чтобы найти различия. Ориентируясь на обе эти последовательности, ученые также просеквенировали 1200 отдельных геномов и показали, что при использовании новой последовательности T2T-Y можно гораздо точнее прочитать другие геномы. Теперь T2T-Y вместе с референсным геномом T2T-CHM13 полностью описывает носителей Y-хромосомы.
Знание полной последовательности Y-хромосомы человека поможет ученым в исследовании особенностей полового развития, сперматогенеза и болезней, сцепленных с этой хромосомой. Так, на Y-хромосоме есть регион азооспермиевого фактора, в котором закодировано несколько генов, участвующих в сперматогенезе. Сейчас ученые смогли точнее исследовать палиндромы в этом регионе. Это важно, так как палиндромные участки могут образовывать петли, которые могут быть случайно вырезаны из генома. Такие делеции могут нарушать сперматогенез и вести к бесплодию. Имея полную последовательность Y-хромосомы, ученые могут более тщательно проанализировать эти делеции и их влияние на человека. Однако на Y-хромосоме есть и другие гены, которые имеют важное с точки зрения медицины значения. Например, существует ген TSPY, который тоже участвует в сперматогенезе. Большинство других генов представлены в геноме всего в двух копиях, в то время как TSPY является вторым по количеству копий в геноме геном. В то же время до этого точная последовательность этого гена и организация его копий были неизвестны. Сейчас же ученые смогли сделать вывод о том, что у разных людей число копий TSPY может варьироваться от 10 до 40.
Имея полную последовательность Y-хромосомы, ученые также смогут лучше понять ее эволюцию. Эта хромосома считается одной из наиболее быстро меняющихся среди приматов, и на ее примере было бы интересно отследить, как происходила эволюция людей. Кроме того, исследователям было бы интересно проанализировать происхождение сателлитной ДНК и ее связь с другими подобными участками в геноме.
Неожиданным открытием при работе над последовательностью Y-хромосомы оказалось то, что она стала источником загрязнения при секвенировании бактериальных геномов. Образцы ДНК бактерий могут быть загрязнены человеческой ДНК из-за того, что часто образцы берут с кожи человека. Обычно ученые ориентируются на текущий референсный геном человека, чтобы выяснить, какие участки ДНК принадлежат ему, а не бактерии, и удалить их. Но, так как в референсном геноме до сих пор отсутствовали крупные участки ДНК с Y-хромосомы, они считались частью бактериального генома. Такому загрязнению, как оказалось, подверглись 5 тысяч бактериальных геномов. Ученые подчеркнули, что необходимо использовать обновленный референсный геном человека, чтобы удалить эти загрязнения.
Наконец, новое прочтение Y-хромосомы поможет в создании человеческого пангенома. Этот проект направлен на создание совокупности всех генов группы организмов. В случае людей, например, будут учитываться люди разных происхождений и так далее. Создание пангенома важно не только с исследовательской, но и с медицинской точки зрения, так как он поможет лучше диагностировать заболевания, предсказывать исходы болезней и предписывать лечение
