Y-хромосома наконец полностью секвенирована. Как это изменило взгляд ученых на мужчин?
Y-хромосома — наряду с Х-хромосомой — определяет биологический пол человека и важна для развития мужских половых признаков. В 2003 году она была частично секвенирована, и в результате появился первый проект генома человека. Однако Y-хромосома имеет сложную структуру, содержащую множество длинных, повторяющихся последовательностей ДНК, и ученые долгое время не могли проанализировать более 50% ее состава. До сих пор. Разбираемся, что они выяснили.
Кладбище для генов
Ученые считают, что хромосомы Y и X когда-то были идентичны. Со временем часть Y-хромосомы, содержащая гены, уменьшилась до одной шестой от размера X-хромосомы, и сегодня содержит вдвое меньше генов, чем ее более крупный аналог. Некоторые исследователи утверждают, что эта дегенерация постепенно продолжается и приведет к полному исчезновению Y-хромосомы.
Полное секвенирование Y-хромосомы когда-то считалось невыполнимой задачей. Ее даже не пытались толком секвенировать, отчасти потому, что она считалась кладбищем для генов, которым суждено было исчезнуть. Более того, наличие повторяющихся участков делало ее самой проблемной хромосомой в геноме. Дело в том, что, когда ученые собирают геном воедино, они не могут проследить всю хромосому целиком, а только маленькие кусочки. Затем они должны снова сшить все вместе. Как при сборке головоломки, именно повторяющиеся части, которые выглядят одинаково, всегда самые трудные.
В конце концов, в 2003 году после тяжелых попыток ученые провели секвенирование лишь части Y-хромосомы и выяснили, что она весьма динамична и перемешивает гены, имея несколько копий в зеркально противоположных участках ДНК. Благодаря такой структуре хромосоме удается поддерживать в порядке свои немногочисленные гены. Но и это еще не все.
Что обнаружили исследователи
Используя сочетание современных технологий секвенирования ДНК и машинного обучения, а также опыт секвенирования других 23 хромосом человека, ученые смогли полностью проанализировать Y-хромосому. Они обнаружили, что она содержит более 62 млн пар оснований ДНК. Это на 30 млн пар оснований больше, чем в самом современном эталонном геноме GRCh38, который постоянно совершенствовался в течение последних 20 лет.
Исследователи выявили полные структуры нескольких семейств генов, таких как DAZ и RBMY, участвующих в производстве сперматозоидов. Кроме того, был идентифицирован 41 новый белок-кодирующий ген и получено представление о некодирующих областях, которые не несут в себе чертежей белков, а также о последовательностях, которые в прошлом часто принимали за бактериальную ДНК.
Затем ученые использовали программное обеспечение для полной сборки Y-хромосом 43 мужчин из стран Африки, Америки, Азии и Европы, предоставивших образцы ДНК для международного проекта по созданию каталога генетических вариаций человека. В совокупности они показали, что Y-хромосома за все время существенно диверсифицировалась по размеру и структуре. В частности, команда обнаружила удивительные вариации в повторяющихся областях хромосомы. Например, у одного мужчины Y-хромосома содержала 23 копии гена TSPY, который участвует в образовании сперматозоидов, а у другого — 39 копий.
Оказалось также, что Y-хромосома содержит самый большой блок конденсированной некодирующей ДНК — так называемый гетерохроматин — во всем геноме человека. Этот участок состоит в основном из двух повторяющихся последовательностей, которые были организованы по-разному у участников исследования, но всегда появлялись в одинаковом соотношении 1 к 1.
Что это значит для мужчин
Секвенирование Y-хромосомы дает полную картину всего генома человека и положит начало многим исследованиям половой хромосомы, которые ранее были невозможны.
Ученые пишут, что существующие эталонные геномы необходимо будет обновить и дать соответствующие обозначения всем вновь выявленным участкам Y-хромосомы. Они надеются узнать больше о функциональном влиянии структурных вариаций Y-хромосомы на здоровье и болезни, а также об их возможной связи с эволюцией человека. Теперь эксперты могут провести крупномасштабные исследования, чтобы выяснить, как различия в Y-хромосоме коррелируют с проблемами здоровья, например, с некоторыми видами рака.
Сборка полных последовательностей 43 Y-хромосом позволяет предположить, что Y-хромосома не устаревает и содержание генов в ней в основном сохраняется. Поэтому идея о том, что Y-хромосома продолжает вырождаться и должна исчезнуть, полностью опровергнута.
Изучение Y-хромосомы по-прежнему остается делом непростым, но, по крайней мере, теперь ученые знают, где находятся самые сложные участки. Исследователи сравнивают ДНК с чертежом, который мы пытаемся изучить. Если в нем — сплошные дыры, мы даже не знаем, с чего начать. Но, заполнив их, мы получим полную картину.
