非人靈長類動物完整性染色體序列首次發布

由美國賓夕法尼亞州立大學、國家人類基因組研究所和華盛頓大學的研究人員領導的一個國際合作團隊，為5種靈長類動物和一種與人類關系較遠的靈長類動物的性染色體新生成了完整的“端粒到端粒”參考基因組，凸顯了非人靈長類動物物種中雄性Y染色體特異性的極快變化。相關論文5月29日發表于《自然》。

這一發現揭示了性染色體的進化，為了解非人靈長類動物和人類中與性染色體上的基因相關疾病提供了信息。

研究組組長、美國賓夕法尼亞州立大學維恩·魏勒曼生命科學講席教授Kateryna Makova表示：“Y染色體對人類生育能力很重要，而X染色體含有對生殖、認知和免疫至關重要的基因。我們的研究為未來性染色體及其進化研究、與之相關的疾病研究打開了大門。”

他們研究的現存靈長類動物都處于瀕危狀態，包括黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩、婆羅洲猩猩、蘇門答臘猩猩，以及合趾猿。研究人員為6種猿類制作了完整的性染色體序列。完整性染色體序列的可用性將有助于研究它們在野外的性別特異性傳播，以及對繁殖和生育至關重要的基因。

這些參考基因組為今后對這些物種的研究提供了一個有代表性的例子。研究組發現，與X染色體相比，不同猿類的Y染色體差異很大，而且含有許多物種特異性序列。然而，它仍然受制于純化選擇——一種通過去除有害突變保護其遺傳信息的進化力量。

論文共同第一作者、在美國賓夕法尼亞州立大學從事博士后研究的Karol Pál說：“Y染色體測序一直具有挑戰性，因為它包含許多重復區域，而且由于傳統的短讀測序技術在短時間內解碼序列，很難將結果片段按正確的順序排列。”

研究人員利用端粒到端粒聯盟（T2T）開發的長讀測序技術克服這一挑戰。計算分析方面的進步，使他們能夠完全解決以前難以測序和組裝的重復區域。通過將X和Y染色體相互比較，以及在不同物種之間，包括與先前生成的人類X和Y染色體序列進行比較，研究人員了解了許多關于性染色體進化的新知識。

在6種猿類中，Y染色體在各種特征（包括大小）上的變異性都比X染色體大得多。X染色體所含核苷酸字母的數量從黑猩猩的1.54億個到大猩猩的1.78億個不等，相差約2400萬；相比之下，Y染色體所含核苷酸字母數量從合趾猿的3000萬個到蘇門答臘猩猩的6800萬個不等，相差約3800萬。

物種間共享的DNA序列數量在Y染色體上更具可變性。例如，人類和黑猩猩之間大約98%的X染色體是一致的，但只有大約1/3的Y染色體是一致的。研究人員發現，這在一定程度上是因為Y染色體更容易重排或部分遺傳物質被復制。

此外，在Y染色體上，重復序列所占染色體的百分比變化也很大。根據物種的不同，重復序列占X染色體的62%至66%，而占Y染色體的71%至85%。這些百分比在X和Y染色體上都比人類基因組中的其他染色體更高。

研究人員發現，Y染色體上的許多基因似乎使用兩種策略來生存。一種策略利用了基因冗余。團隊首次完成猿類性染色體上多拷貝基因家族圖譜，量化了這種基因冗余。另一種策略利用了回文。團隊也首次獲得了猿類性染色體上回文完整序列。結果發現，回文在它們的Y染色體上特別長且豐富，但通常只在親緣關系密切的物種中共享。

這項工作利用生物信息學技術和進化分析的強大結合，尋找自然選擇和其他進化力量作用于性染色體的證據，使研究人員能夠更好地解釋人類在世的近親——靈長類動物性染色體上的進化過程。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07473-2