Abgeschlossene Y-Chromosomensequenzen bieten einen Blick auf Wiederholungsstruktur und Variation

NEW YORK – Während ein Forschungsteam Ergebnisse einer vollständigen, neu zusammengesetzten Version des wiederholungsreichen Y-Chromosoms präsentiert, hat eine andere Gruppe damit begonnen, die strukturellen und genomischen Unterschiede zu ermitteln, die im Geschlechtschromosom von einem Individuum zum nächsten bestehen.

Für die erste der Studien, die am Mittwoch in Nature veröffentlicht wurde, verwendeten Mitglieder des Telomere-to-Telomere (T2T)-Konsortiums eine Kombination aus Pacific Biosciences HiFi Long Reads, Oxford Nanopore Ultralong Reads, Illumina Short Reads, Strand-seq, Advanced Assemblierungsansätze, manuelle Assemblierung und bioinformatische Methoden, um eine lückenlose Y-Chromosomenanordnung zusammenzustellen, die fast 62,5 Millionen Basenpaare umfasst.

„Das Y-Chromosom spielt eine entscheidende Rolle bei der sexuellen Entwicklung und Fruchtbarkeit, ist aber auch eines der sich am häufigsten wiederholenden und am schwierigsten zu sequenzierenden Chromosomen des Genoms“, erklärte der leitende und korrespondierende Autor Adam Phillippy, NHGRI-Forscher und Leiter des T2T-Konsortiums eine E-Mail. „Aus diesem Grund war es das letzte der 24 menschlichen Chromosomen, das vollständig abgelesen wurde, und wurde in früheren Genomstudien oft übersehen.“

Als das Team die Sequenz mit Hilfe von RNA-Isoform-Sequenzdaten von B-Lymphozytenzellen und induzierten pluripotenten Stammzellen sowie veröffentlichten Genexpressionsdaten, die mehrere Datentypen repräsentieren, annotierte, fand es 30 Millionen Sequenzbasen und 41 vorhergesagte Protein-kodierende Gene nicht in der Vergangenheit berichtet. Zusammengenommen machten die neuen Daten mehr als die Hälfte der Gesamtsequenz des winzigen Chromosoms aus.

Dabei spürten die Forscher unbeachtete Regelkreise und Neuanordnungen auf dem Geschlechtschromosom auf und machten gleichzeitig Veränderungen im Zusammenhang mit männlicher Unfruchtbarkeit und anderen Erkrankungen deutlich.

„Die Kartierung dieser bisher unbekannten Regionen des Genoms ist nur der erste Schritt auf einem langen Weg zum Verständnis seiner Funktionsweise“, fügte er hinzu und wies darauf hin, dass neu fertiggestellte Y-Chromosomensequenzen „für Forscher, die sich mit sexueller Entwicklung, Fruchtbarkeit und Genealogie befassen, von großem Interesse sein werden.“ , bestimmte Krebsarten, Evolution usw., die alle faszinierende Verbindungen zum Y haben.

Es war traditionell schwierig, das Y-Chromosom vollständig zu sequenzieren und zusammenzusetzen, da es zahlreiche Wiederholungen enthält, die von palindromischen Sequenzen, die dasselbe rückwärts oder vorwärts lesen, bis hin zu hochrepetitiven Satelliten-DNA-Sequenzen reichen, die sich über große nichtkodierende Sequenzabschnitte erstrecken.

Obwohl es vor allem für seinen Beitrag zur männlichen Entwicklung und Fruchtbarkeit bekannt ist, wurde das Chromosom auch mit anderen Merkmalen und Erkrankungen in Verbindung gebracht, während frühere Studien darauf hindeuten, dass die Geschlechtsentwicklung von genetischen Beiträgen anderer Teile des Genoms abhängt.

Die neueste Arbeit ergänzt frühere T2T-Bemühungen, menschliche Chromosomenlücken mithilfe von Daten zu schließen, die für einen Blasenmolen ohne Y-Chromosom generiert wurden – Arbeit, über die 2022 in Science berichtet wurde.

Unter den Erkenntnissen, die bereits aus dem fertigen Y-Chromosom gewonnen wurden, wiesen die Forscher auf palindromische, wiederholte Deletionen hin, die offenbar mit Azoospermie zusammenfallen, einer Form männlicher Unfruchtbarkeit, die durch spermienfreies Ejakulat gekennzeichnet ist.

„Die Region des Azoospermiefaktors auf dem Y-Chromosom enthält eine ungewöhnliche Anzahl dieser Palindrome“, sagte Phillippy und bemerkte, dass solche Strukturen „typischerweise instabil sind, aber es scheint, dass die natürliche Selektion sie auf den Geschlechtschromosomen begünstigt.“

Das Team hat außerdem ein Multigen-„Gen-Array“ für das mit der Spermienproduktion zusammenhängende Gen TSPY aufgespürt, das in etwa 10 bis 40 Kopien in verschiedenen Y-Chromosomenträgern vorhanden war und möglicherweise dazu beitrug, die Expression des Gens während des Spermatogeneseprozesses zu steigern.

Die neue Y-Chromosom-Referenzsequenz wies außerdem auf eine von Person zu Person unterschiedliche Position eines als TSPY2 bekannten Gens hin, das je nach Personenprofil aufgrund des Sequenzaustauschs zwischen sich wiederholenden Regionen auf dem Y-Chromosom an einer von zwei unterschiedlichen Positionen auftauchte .

In einem verwandten Nature-Artikel wandten sich Mitglieder des Human Genome Structural Variation Consortium der Long-Read-Sequenzierung, Strand-seq, der optischen Kartierung von Bionano Genomics und anderen Ansätzen zu, um Y-Chromosomensequenzen von 43 verschiedenen Individuen zu vergleichen, und entdeckten eine Überrepräsentation großer Inversionen und unterschiedliche Mutationsraten in männerspezifischen Sequenzen, neben anderen wiederkehrenden Variationen.

„Mit diesen neuen Studien zum menschlichen Y-Chromosom verfügen wir (als wissenschaftliche Gemeinschaft) nun endlich über die vollständige Referenzsequenz des menschlichen Genoms und können die genetischen Varianten, die wir auf dem Y-Chromosom gefunden haben, in … Assoziationsstudien integrieren“, sagte Co-Senior und Korrespondent Der Autor Charles Lee, Direktor und Professor am Jackson Laboratory for Genomic Medicine, erklärte in einer E-Mail, dass die Arbeit zum langjährigen Interesse seines Teams an struktureller genomischer Variation passe.

Lee fügte hinzu, dass er im Vorfeld der Studie darüber spekuliert habe, dass es möglich sei, durch die Analyse von Sequenzen vieler nicht verwandter Individuen ein breites Spektrum struktureller Genomvarianten zu ermitteln – eine Vorhersage, die sich in der neuen Studie bewahrheitete.

Insbesondere seien die Forscher in der Lage gewesen, repetitive oder anderweitig komplexe Teile des Y-Chromosoms zu identifizieren, die typischerweise durch Variation oder Konservierung gekennzeichnet seien, erklärte er, und hätten mithilfe der Sequenzdaten etwa 183.000 Jahre menschlicher Evolution nachvollziehen können.

„Während sowohl die GRCh38 … als auch die T2T Y-Ansammlungen europäische Y-Abstammungslinien darstellen, stellt die Hälfte unserer Y-Chromosomen afrikanische Abstammungslinien dar und umfasst die meisten der am tiefsten verwurzelten menschlichen Y-Abstammungslinien“, schrieben die Autoren und fügten hinzu, dass der „neu zusammengesetzte Datensatz von 43 Y-Chromosomen bieten daher einen umfassenderen Überblick über die genetische Variation auf Nukleotidebene über mehr als 180.000 Jahre menschlicher Y-Chromosomen-Evolution.“

An Stellen rund um einen stark heterochromatischen Sequenzblock in der Chromosomenregion Yq12 sah das Team beispielsweise Inversionen, an denen die DYZ1- und DYZ2-Wiederholungseinheiten beteiligt waren, die trotz ihrer variablen und komplexen Organisation tendenziell konsistente Eins-zu-Eins-Verhältnisse aufwiesen.

Solche Ergebnisse deuten auf eine „noch unbekannte funktionelle Bedeutung dieser Chromosomenregion“ hin, schlug Lee vor.

Ebenso wies er darauf hin, dass frühere Untersuchungen, die den Verlust von Y-Chromosomen mit dem Risiko für Blasenkrebs, Prognosen und dem Ansprechen auf eine Checkpoint-Immuntherapie in Verbindung bringen, auf die Möglichkeit hinweisen, die vollständige Y-Chromosomen-Referenzsequenz und Y-Chromosomen-Variationsdaten zu verwenden, um sich auf bestimmte Sequenzen zu konzentrieren, die zu solchen Merkmalen beitragen .

„Letztendlich war die Fähigkeit, das vollständige menschliche Y-Chromosom effektiv zusammenzusetzen, ein lang erwarteter, aber entscheidender Meilenstein auf dem Weg zum Verständnis des vollen Ausmaßes der menschlichen genetischen Variation“, erklärten die Autoren der Studie, „und bietet auch den Ausgangspunkt für die Verknüpfung von Y- Chromosomensequenzen zu spezifischen menschlichen Merkmalen zuzuordnen und die menschliche Evolution gründlicher zu untersuchen.