Учёные впервые полностью секвенировали Y-хромосому человека

Y-хромосома, одна из двух половых хромосом человека, десятилетиями оставалась сложнейшей задачей для секвенирования из-за особенностей своей структуры.

Теперь эта труднодоступная область генома полностью секвенирована. Это достижение завершает набор из полностью прочитанных от теломеры до теломеры (T2T) человеческих хромосом и добавляет 30 миллионов новых пар оснований к референсному геному человека, в основном за счёт сложной для секвенирования сателлитной ДНК. Эти данные выявили 41 дополнительный белок-кодирующий ген и дают ключевую информацию для изучения вопросов репродукции, эволюции и изменений в популяциях.

Исследователи консорциума Telomere-to-Telomere (T2T) объявили об этом достижении в статье в журнале Nature. Полная аннотированная референсная последовательность Y-хромосомы доступна в браузере генома UCSC и на Github.

«Ещё несколько лет назад половина человеческой Y-хромосомы отсутствовала [в референсе] — это были сложные, комплексные сателлитные области», — сказала Моника Чехова, соавтор статьи. — «Тогда мы даже не знали, можно ли её секвенировать, это была такая головоломка. Это действительно огромный сдвиг в том, что возможно».

Завершение Y-хромосомы

Структура Y-хромосомы была сложна для расшифровки, потому что часть её ДНК организована в палиндромы — длинные последовательности, одинаковые при чтении вперёд и назад, протяжённостью более миллиона пар оснований. Кроме того, значительная часть Y-хромосомы, отсутствовавшая в предыдущей версии референса, — это сателлитная ДНК: большие, высокоповторяющиеся области некодирующей ДНК. На Y-хромосоме два сателлита связаны друг с другом, что ещё больше усложняло процесс секвенирования.

Успех стал возможен благодаря прогрессу в технологиях длинного чтения (long-read sequencing) и новым вычислительным методам сборки, способным работать с повторяющимися последовательностями.

Эти методы позволили команде решить некоторые особенно сложные задачи, например, точно определить, где в палиндромной последовательности происходит инверсия. Установленные в работе методы позволят учёным получать больше полных последовательностей Y-хромосом, чтобы лучше понять, как этот генетический материал влияет на разнообразное человеческое население.

«Именно Y-хромосоме не хватало больше всего последовательностей в предыдущем референсном геноме», — сказал Аран Ри, ведущий автор статьи. — «Было всегда досадно знать, что мы упускаем половину Y при любом анализе на основе референса. Я был очень взволнован, курируя первую полную Y, чтобы увидеть, чего же нам на самом деле не хватало и что мы можем делать теперь».

В 2022 году консорциум T2T представил первый полностью секвенированный геном человека (все аутосомы и X-хромосому). Теперь, спустя всего год, к нему добавились 30 миллионов дополнительных пар оснований Y-хромосомы.

Новые возможности для исследований

Y-хромосома чаще всего ассоциируется с людьми, определёнными при рождении как мужчины, но может встречаться и у других, например, интерсекс-людей. При этом половые характеристики, регулируемые ДНК Y-хромосомы, не эквивалентны гендерной идентичности человека.

Хотя на Y-хромосоме относительно мало генов, присутствующие гены сложны, динамичны и кодируют важные функции, такие как сперматогенез (производство сперматозоидов).

Сложная структура Y-хромосомы способствовала быстрой эволюции внутри её семейств генов. Фактически, Y-хромосома — самая быстро меняющаяся хромосома человека и даже среди человекообразных обезьян. Это означает, что Y-хромосомы двух здоровых людей могут сильно отличаться — например, у одного человека может быть 40 копий одного гена, а у другого — 19.

Полная референсная последовательность позволит лучше изучать эту эволюцию, что может стать фокусом будущих исследований в клиниках ЭКО или других работах по репродукции и бесплодию.

Последовательность от теломеры до теломеры также крайне важна для изучения эволюции и дрейфа человеческих популяций. Это связано с тем, что Y-хромосома наследуется из поколения в поколение как одна группа генетического материала с очень малым количеством рекомбинаций, в отличие от аутосом и генов на X-хромосоме.

30 миллионов новых оснований, добавленных к референсу, также будут crucial для изучения эволюции генома. Теперь можно изучать уникальные паттерны последовательностей Y-хромосомы, такие как структура двух сателлитов, локализация и число копий генов.

«Это захватывающе — наконец-то увидеть эти последовательности в гетерохроматиновых [плотно упакованных] областях. Мы можем разрабатывать эксперименты, чтобы проверить влияние и функцию этих ранее неисследованных частей Y-хромосомы», — сказала Карен Мига, со-руководитель консорциума T2T.

Полный референс может помочь пролить свет на загадку, почему люди с Y-хромосомой могут терять часть или всю эту генетическую материю с возрастом, и каковы последствия. Также станет легче изучать состояния и расстройства, связанные с Y-хромосомой, например, отсутствие производства сперматозоидов, ведущее к бесплодию.

Неожиданная находка: контаминация в бактериальных геномах

Неожиданным открытием стало то, что ДНК Y-хромосомы в прошлых исследованиях ошибочно принимали за бактериальную ДНК из-за неполного удаления человеческой контаминации.

Учёные используют текущий референсный геном человека, чтобы идентифицировать и удалить последовательности человеческой контаминации из образцов бактериальной ДНК (часто получаемых с поверхности человеческой кожи). Но поскольку большие части Y-хромосомы отсутствовали в старом референсе, их не могли идентифицировать как человеческие и ошибочно считали частью ДНК изучаемого бактериального вида.

В статье представлены доказательства, что около 5000 бактериальных геномов в общей базе данных, вероятно, содержали контаминацию, соответствующую последовательностям человеческой Y-хромосомы. Исследователи этих видов могут использовать обновлённый Y-референс, чтобы корректно удалить всю человеческую контаминацию.

«Это было удивительно», — сказал Аран Ри. — «Люди предполагали это, но никто не мог доказать, что это происходит, до сих пор».

Y-хромосома в пангеноме и будущие направления

Исследователи планируют улучшить изучение этой области, включив Y-хромосому в будущие версии человеческого пангенома — нового референса, который объединяет геномную информацию множества людей разного происхождения для более справедливых исследований и клинических открытий.

В сотрудничестве с Консорциумом Референса Человеческого Пангенома (HPRC) исследователи планируют включить полные последовательности Y-хромосом в индивидуальные геномы, составляющие пангеном. Это поможет понять, как Y-хромосома варьируется среди людей разного происхождения.

«Мы стремимся сделать эти данные широко доступными», — сказала Карен Мига. — «Создавая и делясь этими важными каталогами генетических различий на Y-хромосоме, мы можем расширить генетические исследования болезней человека и получить новое понимание фундаментальной биологии».