Геном человека, являющийся настоящим отпечатком нашего биологического наследия, долгое время не поддавался полному пониманию, особенно в том, что касается Y-хромосомы. Часто отодвигаемая на второй план в генетических исследованиях, эта хромосома, тем не менее, содержит важнейшие ключи к нашей биологии и эволюции.
В рамках международного сотрудничества, возглавляемого консорциумом Telomere-to-Telomere (T2T), который финансируется Национальным институтом исследования генома человека (NHGRI), была раскрыта вся последовательность Y-хромосомы. Этот прорыв, несомненно, принесет пользу исследованиям некоторых заболеваний и прольет свет на малоизвестные области нашей биологии. Подробности опубликованы в журнале .
Сложная роль Y-хромосомы
Наука уже давно рассматривает половые хромосомы, X и Y, как основные детерминанты биологического пола. Однако такое упрощенное представление не дает представления о сложности Y-хромосомы. Хотя она играет важнейшую роль в определении мужского пола, на этом ее роль не заканчивается. На самом деле она играет важную роль в половом развитии, организуя ряд биологических процессов, выходящих далеко за рамки простого разграничения мужского и женского пола.
Более того, последние достижения в области геномики позволили выявить ранее неизвестные функции Y-хромосомы. Было установлено, что некоторые из ее генов влияют на риск развития и прогрессирование некоторых форм рака. Эти открытия ставят под сомнение прежние представления об Y-хромосоме и подчеркивают ее важность для многих аспектов биологии человека.
В действительности, когда ученые и клиницисты изучают геном человека, они сравнивают его ДНК с ДНК стандартного образца для определения вариаций. До сих пор в Y-хромосомной части генома человека имелись большие пробелы — почти 50%, что затрудняло понимание вариаций и связанных с ними заболеваний.
Преодоление технических препятствий
Процесс секвенирования ДНК сопряжен со значительными трудностями, особенно когда речь идет о таких сложных геномных регионах, как Y-хромосома. Ее структура изобилует повторяющимися последовательностями, что затрудняет ее сборку, подобно пазлу с множеством одинаковых деталей.
В частности, часть ДНК организована в виде палиндромов — длинных идентичных последовательностей, идущих взад и вперед и насчитывающих более миллиона пар оснований. Кроме того, очень большая часть Y-хромосомы, отсутствовавшая в предыдущей версии эталона Y, представляет собой сателлитную ДНК — большие, высокоповторяющиеся участки ДНК, не кодирующие белки. На Y-хромосоме два сателлита соединены между собой, что еще больше усложняет процесс секвенирования, отмечают исследователи в пресс-релизе.
Стандартные инструменты секвенирования, хотя и эффективны для большинства геномных областей, ограничены, когда речь идет о чтении длинных последовательностей ДНК. Они могут обрабатывать только короткие строки за один раз, что еще больше усложняет сборку повторяющихся последовательностей на Y-хромосоме.
Однако, несмотря на эти препятствия, появление новых технологий секвенирования позволило считывать более длинные фрагменты ДНК, что упрощает сборку последовательностей. Кроме того, было разработано современное программное обеспечение, позволяющее сортировать и собирать эти фрагменты с большей точностью.
Контаминация в бактериальных геномах
Неожиданным результатом данной работы стало то, что ДНК Y-хромосомы неоднократно путали с бактериальной ДНК в предыдущих исследованиях из-за неполного исключения человеческого загрязнения в бактериальной ДНК. Это открытие обещает улучшить изучение генома бактерий.
При изучении бактериальной ДНК, взятой с кожи человека, человеческую ДНК можно спутать с бактериальной. Для устранения этого загрязнения исследователи используют геном человека в качестве эталона. Однако отсутствие некоторых участков Y-хромосомы в предыдущих эталонах приводило к путанице, смешивая ДНК человека с ДНК изучаемых бактерий.
В данной статье показано, что около 5000 бактериальных геномов в общей базе данных, вероятно, содержат контаминацию, соответствующую Y-последовательностям человека.
Медицинские и эволюционные последствия
Полная последовательность Y-хромосомы может открыть ранее неизвестные или малоизученные гены. Эти гены могут играть важнейшую роль в различных биологических процессах, в том числе и в мужской фертильности. Так, один из новых расшифрованных участков называется областью фактора азооспермии — участком ДНК, содержащим несколько генов, которые, как известно, участвуют в производстве сперматозоидов. Понимание генетических механизмов, лежащих в основе фертильности, может привести к созданию инновационных методов лечения бесплодия или более эффективных методов контрацепции.
Наконец, помимо фертильности, могут быть лучше изучены и другие генетические нарушения, связанные с Y-хромосомой. Адам Филлиппи, главный исследователь NHGRI и руководитель консорциума, поясняет: «Когда вы обнаруживаете вариации, которых раньше никогда не видели, всегда есть надежда, что эти геномные варианты будут важны для понимания здоровья человека. Геномные варианты, имеющие медицинское значение, могут помочь нам в будущем разработать более эффективную диагностику«.
Наконец, полная последовательность Y-хромосомы имеет большое значение для пангенома человека, цель которого — представить генетическое разнообразие нашего вида в целом. Благодаря интеграции этой последовательности пангеном станет более полным и точным. Более того, это открытие проливает свет на теневые области нашей эволюции. Благодаря детальному изучению Y-хромосомы исследователи могут проследить патрилинейные родословные, что дает новое представление о миграциях, адаптациях и взаимодействии наших предков.