Sequências completas dos cromossomos X e Y de espécies vivas de grandes primatas determinadas
Genomas completos recentemente gerados para os cromossomos sexuais de seis espécies de primatas - produzidos por uma colaboração internacional liderada por pesquisadores da Penn State e do Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano - revelam uma rápida evolução no cromossomo Y entre os macacos. Estes resultados podem informar a conservação destas espécies ameaçadas e lançar luz sobre doenças genéticas relacionadas com o sexo, tanto em humanos como nos nossos parentes vivos mais próximos. Crédito:Design:Bob Harris; Fotografia:Zoológico de San Diego e Zoológico de Tulsa Genomas de referência "ponta a ponta" completos recentemente gerados para os cromossomos sexuais de cinco espécies de grandes símios e uma espécie de símio menor - produzidos por uma equipe colaborativa internacional liderada por pesquisadores da Penn State, do Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano e da Universidade de Washington - destacam mudanças extremamente rápidas no cromossomo Y específico do macho entre espécies de macacos.
Estas descobertas lançam luz sobre a evolução dos cromossomas sexuais e informam a compreensão de doenças relacionadas com genes nestes cromossomas tanto em macacos como em humanos. O novo estudo aparece na revista Nature .
"O cromossomo Y é importante para a fertilidade humana, e o cromossomo X abriga genes críticos para a reprodução, cognição e imunidade", disse Kateryna Makova, Verne M. Willaman Chair of Life Sciences, professora de biologia na Penn State e líder da equipe de pesquisa .
"Nosso estudo abre portas para muitas investigações futuras sobre cromossomos sexuais, como eles evoluíram e doenças associadas a eles. As espécies vivas de grandes símios não humanos que estudamos estão todas ameaçadas. A disponibilidade de suas sequências completas de cromossomos sexuais facilitará os estudos de seus dispersão específica do sexo na natureza e de seus genes importantes para a reprodução e fertilidade."
Tais genomas de referência atuam como um exemplo representativo que é útil para estudos futuros destas espécies. A equipe descobriu que, comparado ao cromossomo X, o cromossomo Y varia muito entre as espécies de macacos e abriga muitas sequências específicas de espécies. No entanto, ainda está sujeito à selecção natural purificadora – uma força evolutiva que protege a sua informação genética através da remoção de mutações prejudiciais.
“Os investigadores sequenciaram o genoma humano em 2001, mas na verdade não estava completo”, disse Makova. "A tecnologia disponível na época significou que certas lacunas não foram preenchidas até um esforço renovado liderado pelo Consórcio Telômero-a-Telómero, ou T2T, em 2022-23. Aproveitamos os métodos experimentais e computacionais desenvolvidos pelo Human T2T Consórcio para determinar as sequências completas dos cromossomos sexuais de nossos parentes vivos mais próximos – os grandes símios.”
Sequências completas dos cromossomos X e Y de seis espécies de primatas revelam a diversidade de espécies e insights sobre a evolução. Crédito:Ernesto Del Aguila III, Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano
A equipe produziu sequências completas de cromossomos sexuais para cinco espécies de grandes símios – chimpanzé, bonobo, gorila, orangotango de Bornéu e orangotango de Sumatra, que compreendem a maioria das espécies de grandes símios que vivem hoje – bem como um primata menor, o siamang. Eles geraram sequências para um indivíduo de cada espécie.
Os genomas de referência resultantes atuam como um mapa de genes e outras regiões cromossômicas, o que pode ajudar os pesquisadores a sequenciar e montar os genomas de outros indivíduos daquela espécie. As sequências cromossômicas sexuais anteriores para essas espécies estavam incompletas ou - para o orangotango de Bornéu e o siamang - não existiam.
"O cromossomo Y tem sido um desafio para sequenciar porque contém muitas regiões repetitivas e, como a tecnologia tradicional de sequenciamento de leitura curta decodifica sequências em rajadas curtas, é difícil colocar os segmentos resultantes na ordem correta", disse Karol Pál, pós-doutorado pesquisador da Penn State e co-autor do estudo.
"Os métodos T2T usam tecnologias de sequenciamento de leitura longa que superam esse desafio. Combinado com os avanços na análise computacional, na qual colaboramos com o grupo de Adam Phillippy no NHGRI, isso nos permitiu resolver completamente regiões repetitivas que antes eram difíceis de sequenciar e montar.
"Ao comparar os cromossomos X e Y entre si e entre espécies, inclusive com as sequências T2T humanas geradas anteriormente do X e do Y, aprendemos muitas coisas novas sobre sua evolução."
Alta variabilidade no cromossomo Y
"Os cromossomos sexuais começaram como qualquer outro par de cromossomos, mas o Y tem sido o único a acumular muitas deleções, outras mutações e elementos repetitivos porque não troca informações genéticas com outros cromossomos durante a maior parte de sua extensão", disse Makova, que também é o diretor do Centro de Genômica Médica da Penn State.
Como resultado, nas seis espécies de macacos, a equipa de investigação descobriu que o cromossoma Y era muito mais variável do que o X numa variedade de características, incluindo o tamanho. Entre os macacos estudados, o tamanho do cromossomo X varia de 154 milhões de letras do alfabeto ACTG – representando os nucleotídeos que compõem o DNA – em chimpanzés e humanos até 178 milhões de letras em gorilas. Em contraste, o cromossomo Y varia de 30 milhões de letras de DNA no siamang a 68 milhões de letras no orangotango de Sumatra.
A quantidade de sequência de ADN partilhada entre as espécies também foi mais variável no Y. Por exemplo, cerca de 98% do cromossoma X alinha-se entre humanos e chimpanzés, mas apenas cerca de um terço do Y alinha-se entre eles. Os pesquisadores descobriram que isso ocorre em parte porque é mais provável que o cromossomo Y seja reorganizado ou tenha partes de seu material genético duplicadas.
Além disso, a porcentagem do cromossomo ocupado por sequências repetidas é altamente variável no Y. Enquanto, dependendo da espécie, 62% a 66% dos cromossomos X são ocupados por elementos repetitivos, 71% a 85% do Y cromossomos são ocupados por eles. Essas porcentagens são mais altas tanto no X quanto no Y do que em outros cromossomos do genoma humano.
Como o Y sobreviveu
“Descobrimos que o macaco Y está encolhendo, acumulando muitas mutações e repetições e perdendo genes”, disse Makova.
"Então, por que o cromossomo Y não desapareceu, como sugeriam algumas hipóteses anteriores? Em colaboração com Sergei Kosakovsky Pond da Temple University e outros, descobrimos que o cromossomo Y ainda tem uma série de genes evoluindo sob seleção purificadora - um tipo de reação natural seleção que mantém as sequências genéticas intactas. Muitos desses genes são importantes para a espermatogênese. Isso significa que é improvável que o cromossomo Y desapareça tão cedo”.
Os pesquisadores descobriram que muitos genes do cromossomo Y parecem usar duas estratégias para sobreviver. A primeira tira partido da redundância genética – a presença de múltiplas cópias do mesmo gene num cromossoma – para que cópias intactas do gene possam compensar cópias que possam adquirir mutações. A equipe quantificou essa redundância genética completando pela primeira vez o panorama de famílias de genes com múltiplas cópias nos cromossomos sexuais dos macacos.
A segunda estratégia de sobrevivência aproveita os palíndromos, onde a sequência de letras do alfabeto do DNA é seguida pela mesma sequência, mas invertida, por exemplo, ACTG-GTCA. Quando localizados dentro de um palíndromo, os genes se beneficiam da capacidade do palíndromo de corrigir mutações.
“Descobrimos que o cromossomo Y pode trocar informações genéticas consigo mesmo entre as sequências repetidas dos dois braços do palíndromo, que se dobram para que as sequências invertidas se alinhem”, disse Pál.
“Quando duas cópias do mesmo gene estão localizadas dentro de palíndromos, e uma cópia é atingida por uma mutação, a mutação pode ser resgatada pela troca genética com outra cópia. Isso pode compensar a falta de troca de informação genética do Y com os outros cromossomos ."
A equipe de pesquisa obteve as sequências completas de palíndromos nos cromossomos sexuais dos macacos também pela primeira vez, pois antes eram difíceis de sequenciar e estudar. Eles descobriram que os palíndromos são particularmente abundantes e longos no cromossomo Y do macaco, mas geralmente são compartilhados apenas entre espécies estreitamente relacionadas.
Em colaboração com Michael Schatz e a sua equipa da Universidade Johns Hopkins, os investigadores também estudaram os cromossomas sexuais de 129 gorilas e chimpanzés individuais para compreender melhor a variação genética dentro de cada espécie e procurar evidências de selecção natural e outras forças evolutivas que actuam sobre eles.
"Obtivemos novas informações substanciais de gorilas e chimpanzés previamente estudados, alinhando suas leituras de sequenciamento de cromossomos sexuais com nossas novas sequências de referência", disse Zachary Szpiech, professor assistente de biologia na Penn State e autor do artigo.
"Embora aumentar o tamanho da amostra no futuro seja muito útil para melhorar a nossa capacidade de detectar assinaturas de diferentes forças evolutivas, isto pode ser um desafio ético e logístico quando se trabalha com espécies ameaçadas, por isso é fundamental que possamos tirar o máximo proveito de os dados que temos."
Os pesquisadores exploraram uma variedade de fatores que poderiam explicar a variação no cromossomo Y dentro de gorilas e chimpanzés, e esta análise revelou assinaturas adicionais de seleção purificadora no Y. Isto confirma o papel deste tipo de seleção natural no Y, como foi descobertos em suas análises anteriores de genes.
“A poderosa combinação de técnicas de bioinformática e análises evolutivas que usamos nos permite explicar melhor os processos evolutivos que atuam nos cromossomos sexuais de nossos parentes vivos mais próximos, os grandes símios”, disse Christian Huber, professor assistente de biologia na Penn State e autor de o papel. “Além disso, os genomas de referência que produzimos serão fundamentais para estudos futuros da evolução dos primatas e das doenças humanas”.
