Новый метод показал высокое сходство Y-хромосомы гориллы и человека
Разработан новый, менее затратный и быстрый метод для определения последовательности ДНК мужской Y-хромосомы у гориллы. Техника позволит лучше изучать генетическую информацию Y-хромосомы любого вида, что можно использовать для исследования нарушений мужской фертильности и мужских мутаций. Метод также поможет в генетике охраны природы, позволяя отслеживать отцовство и перемещение самцов внутри и между популяциями исчезающих видов, таких как гориллы.
Статья с описанием метода и открытием, сделанным при сравнении последовательности Y-хромосомы гориллы с последовательностями человека и шимпанзе, будет опубликована 2 марта 2016 года в онлайн-версии журнала Genome Research и в печатном выпуске за апрель 2016 года.
«Неожиданно мы обнаружили, что во многих отношениях Y-хромосома гориллы больше похожа на человеческую, чем каждая из них на Y-хромосому шимпанзе», — сказала Катерина Макова, профессор Пенсильванского университета и один из двух авторов-корреспондентов статьи. — «В областях хромосомы, где мы можем сопоставить все три вида, сходство последовательностей соответствует известным эволюционным отношениям — люди более тесно связаны с шимпанзе. Однако Y-хромосома шимпанзе, по-видимому, претерпела больше изменений в количестве генов и содержит другой объем повторяющихся элементов по сравнению с человеческой или горилльей. Более того, большая доля последовательностей Y-хромосомы гориллы может быть выровнена по человеческой, чем по Y-хромосоме шимпанзе».
Y-хромосома млекопитающих невероятно сложна для секвенирования. Одна из причин — она присутствует в единственной копии и составляет лишь около 1–2% от общего генетического материала в клетке самца. Чтобы уменьшить эту трудность, исследователи использовали метод проточной сортировки (flow-sorting) для предварительного отбора Y-хромосомы для секвенирования на основе её размера и генетического содержания.
«Проточная сортировка увеличила долю Y-хромосомы в нашем наборе данных примерно до 30%», — сказал Пол Медведев, доцент Пенсильванского университета, второй автор-корреспондент статьи. — «Чтобы дополнительно обогатить наши данные по Y-хромосоме, мы разработали вычислительную технику — RecoverY — для сортировки данных на Y и не-Y последовательности на основе частоты их появления».
Y-хромосома, как и вся ДНК, состоит из последовательности молекул-«оснований», представленных буквами A, T, C и G. Современные технологии генетического секвенирования производят «риды» (прочтения) последовательности, которые намного короче всей длины хромосомы. Эти риды необходимо упорядочить и собрать в более длинные фрагменты, находя перекрывающиеся участки. Команда использовала две разные технологии секвенирования для сборки последовательности ДНК Y-хромосомы.
Одна технология производит огромное количество очень коротких ридов — длиной около 150–250 оснований. С её помощью исследователи отсеквенировали достаточно ридов, чтобы покрыть всю длину Y-хромосомы примерно 450 раз. Эти короткие риды были собраны в более длинные фрагменты, которые затем были соединены с помощью второй технологии, производящей более длинные риды — в среднем около 7000 оснований.
«Благодаря уменьшению доли не-Y-хромосомных ридов с помощью проточной сортировки и нашей техники RecoverY, а также комбинации технологий секвенирования, мы смогли собрать Y-хромосому гориллы так, что более половины данных последовательности находилось во фрагментах длиннее примерно 100 000 оснований», — сказал Медведев.
Ещё одна причина сложности определения генетической последовательности Y-хромосомы — необычно высокое количество повторяющихся последовательностей, где цепочки оснований A, T, C и G идентичны или почти идентичны на протяжении тысяч или миллионов оснований подряд. Многие из этих повторов, включая некоторые гены, представлены в виде серий одинаковых последовательностей или длинных палиндромов (которые, как слово «racecar», читаются одинаково вперёд и назад). Исследователи использовали экспериментальный метод — «капельную цифровую полимеразную цепную реакцию» (droplet digital PCR) — для определения количества копий генов в этих сериях.
«Секвенирование Y-хромосомы похоже на попытку собрать пазл, не зная конечной картинки, из кучи деталей, где только одна из ста полезная, и большинство нужных деталей выглядят одинаково», — сказала Макова. — «Мы разработали конвейер для секвенирования Y-хромосомы, который более эффективен, чем предыдущие методы, и снижает ряд трудностей. Наш метод откроет двери для изучения Y-хромосомы в большем числе лабораторий, для большего числа видов и особей внутри этих видов».
Чтобы продемонстрировать полезность полученной последовательности Y-хромосомы гориллы, исследователи разработали генетические маркеры, которые можно использовать для определения генетического родства между самцами горилл и, таким образом, помочь в усилиях по сохранению этого исчезающего вида.