Ces découvertes mettent en lumière l’évolution des chromosomes sexuels et éclairent la compréhension des maladies liées aux gènes présents sur ces chromosomes chez les singes et les humains. La nouvelle étude apparaît dans la revue Nature .

"Le chromosome Y est important pour la fertilité humaine, et le chromosome X abrite des gènes essentiels à la reproduction, à la cognition et à l'immunité", a déclaré Kateryna Makova, titulaire de la chaire Verne M. Willaman des sciences de la vie, professeur de biologie à Penn State et chef de l'équipe de recherche. .

"Notre étude ouvre la porte à de nombreuses recherches futures sur les chromosomes sexuels, leur évolution et les maladies qui leur sont associées. Les espèces vivantes de grands singes non humains que nous avons étudiées sont toutes en voie de disparition. La disponibilité de leurs séquences complètes de chromosomes sexuels facilitera les études sur leurs dispersion spécifique au sexe dans la nature et de leurs gènes importants pour la reproduction et la fertilité."

Ces génomes de référence constituent un exemple représentatif utile pour les études futures de ces espèces. L’équipe a découvert que, comparé au chromosome X, le chromosome Y varie considérablement selon les espèces de singes et héberge de nombreuses séquences spécifiques à chaque espèce. Cependant, il est toujours soumis à la sélection naturelle purificatrice, une force évolutive qui protège ses informations génétiques en éliminant les mutations nuisibles.

"Les chercheurs ont séquencé le génome humain en 2001, mais ce n'était pas encore complet", a déclaré Makova. "La technologie disponible à l'époque signifiait que certaines lacunes n'étaient pas comblées jusqu'à un effort renouvelé mené par le Consortium Telomere-to-Telomere, ou T2T, en 2022-23. Nous avons exploité les méthodes expérimentales et informatiques développées par le Human T2T Consortium pour déterminer les séquences complètes des chromosomes sexuels de nos plus proches parents vivants, les grands singes."

L’équipe a produit des séquences complètes de chromosomes sexuels pour cinq espèces de grands singes – le chimpanzé, le bonobo, le gorille, l’orang-outan de Bornéo et l’orang-outan de Sumatra, qui constituent la plupart des espèces de grands singes vivant aujourd’hui – ainsi que pour un petit singe, le siamang. Ils ont généré des séquences pour un individu de chaque espèce.

Les génomes de référence résultants agissent comme une carte de gènes et d’autres régions chromosomiques, ce qui peut aider les chercheurs à séquencer et à assembler les génomes d’autres individus de cette espèce. Les séquences antérieures des chromosomes sexuels de ces espèces étaient incomplètes ou, pour l'orang-outan de Bornéo et le siamang, n'existaient pas.

"Le chromosome Y a été difficile à séquencer car il contient de nombreuses régions répétitives et, comme la technologie traditionnelle de séquençage à lecture courte décode les séquences en courtes rafales, il est difficile de placer les segments résultants dans le bon ordre", a déclaré Karol Pál, chercheur postdoctoral. chercheur à Penn State et co-premier auteur de l'étude.

"Les méthodes T2T utilisent des technologies de séquençage à lecture longue qui surmontent ce défi. Combinées aux progrès de l'analyse informatique, sur lesquels nous avons collaboré avec le groupe d'Adam Phillippy au NHGRI, cela nous a permis de résoudre complètement les régions répétitives qui étaient auparavant difficiles à séquencer et à assembler.

"En comparant les chromosomes X et Y entre eux et entre espèces, y compris avec les séquences T2T humaines précédemment générées du X et du Y, nous avons appris beaucoup de nouvelles choses sur leur évolution."

Forte variabilité sur le chromosome Y

"Les chromosomes sexuels ont commencé comme n'importe quelle autre paire de chromosomes, mais le Y est unique en ce sens qu'il accumule de nombreuses délétions, autres mutations et éléments répétitifs, car il n'échange pas d'informations génétiques avec d'autres chromosomes sur la majeure partie de sa longueur", a déclaré Makova, qui est également le directeur du Centre de génomique médicale de Penn State.

En conséquence, chez les six espèces de singes, l’équipe de recherche a découvert que le chromosome Y était beaucoup plus variable que le X sur diverses caractéristiques, notamment la taille. Parmi les singes étudiés, la taille du chromosome X varie de 154 millions de lettres de l'alphabet ACTG, représentant les nucléotides qui composent l'ADN, chez le chimpanzé et l'homme, à 178 millions de lettres chez le gorille. En revanche, le chromosome Y comprend 30 millions de lettres d'ADN chez le siamang à 68 millions de lettres chez l'orang-outan de Sumatra.

La quantité de séquence d'ADN partagée entre les espèces était également plus variable sur le Y. Par exemple, environ 98 % du chromosome X s'aligne entre l'homme et le chimpanzé, mais seulement environ un tiers du Y s'aligne entre eux. Les chercheurs ont découvert que cela est dû en partie au fait que le chromosome Y est plus susceptible d'être réarrangé ou de voir des parties de son matériel génétique dupliquées.

De plus, le pourcentage du chromosome occupé par des séquences répétées est très variable sur le Y. Alors que selon les espèces, 62 à 66 % des chromosomes X sont occupés par des éléments répétitifs, 71 à 85 % des chromosomes Y sont occupés par des séquences répétées. les chromosomes sont occupés par eux. Ces pourcentages sont plus élevés sur le X et le Y que sur les autres chromosomes du génome humain.

Comment le Y a survécu

"Nous avons constaté que le singe Y diminuait, accumulait de nombreuses mutations et répétitions et perdait des gènes", a déclaré Makova.

"Alors pourquoi le chromosome Y n'a-t-il pas disparu, comme le suggéraient certaines hypothèses précédentes ? En collaboration avec Sergei Kosakovsky Pond de l'Université Temple et d'autres, nous avons découvert que le chromosome Y possède encore un certain nombre de gènes évoluant sous sélection purificatrice - un type de réaction naturelle. sélection qui maintient les séquences génétiques intactes. Beaucoup de ces gènes sont importants pour la spermatogenèse, ce qui signifie qu'il est peu probable que le chromosome Y disparaisse de si tôt."

Les chercheurs ont découvert que de nombreux gènes du chromosome Y semblent utiliser deux stratégies pour survivre. La première tire parti de la redondance génétique – la présence de plusieurs copies du même gène sur un chromosome – afin que les copies intactes du gène puissent compenser les copies susceptibles d’acquérir des mutations. L'équipe a quantifié cette redondance génétique en complétant pour la première fois le paysage des familles de gènes à copies multiples sur les chromosomes sexuels des singes.

La deuxième stratégie de survie tire parti des palindromes, où la séquence de lettres de l'alphabet ADN est suivie de la même séquence, mais inversée, par exemple ACTG-GTCA. Lorsqu'ils sont situés dans un palindrome, les gènes bénéficient de la capacité du palindrome à corriger les mutations.

"Nous avons découvert que le chromosome Y peut échanger des informations génétiques avec lui-même entre les séquences répétées des deux bras palindromes, qui se replient de manière à aligner les séquences inversées", a déclaré Pál.

"Lorsque deux copies du même gène sont situées dans des palindromes et qu'une copie est touchée par une mutation, la mutation peut être sauvée par l'échange génétique avec une autre copie. Cela peut compenser le manque d'échange d'informations génétiques du Y avec les autres chromosomes. ."

L'équipe de recherche a également obtenu pour la première fois les séquences complètes de palindromes sur les chromosomes sexuels des singes, car elles étaient auparavant difficiles à séquencer et à étudier. Ils ont découvert que les palindromes sont particulièrement abondants et longs sur le chromosome Y du singe, mais qu'ils ne sont généralement partagés qu'entre espèces étroitement apparentées.

En collaboration avec Michael Schatz et son équipe de l'Université Johns Hopkins, les chercheurs ont également étudié les chromosomes sexuels de 129 gorilles et chimpanzés pour mieux comprendre la variation génétique au sein de chaque espèce et rechercher des preuves de la sélection naturelle et d'autres forces évolutives agissant sur elles.

"Nous avons obtenu de nouvelles informations substantielles sur des individus de gorilles et de chimpanzés précédemment étudiés en alignant leurs lectures de séquençage des chromosomes sexuels sur nos nouvelles séquences de référence", a déclaré Zachary Szpiech, professeur adjoint de biologie à Penn State et auteur de l'article.

"Bien que l'augmentation de la taille de l'échantillon à l'avenir soit très utile pour améliorer notre capacité à détecter les signatures de différentes forces évolutives, cela peut être un défi éthique et logistique lorsque l'on travaille avec des espèces menacées. Il est donc essentiel que nous puissions tirer le meilleur parti de les données dont nous disposons."

Les chercheurs ont exploré une variété de facteurs qui pourraient expliquer la variation du chromosome Y chez les gorilles et chez les chimpanzés, et cette analyse a révélé des signatures supplémentaires de sélection purificatrice sur le Y. Cela confirme le rôle de ce type de sélection naturelle sur le Y, comme cela a été le cas. découvert lors de leurs précédentes analyses de gènes.

"La puissante combinaison de techniques bioinformatiques et d'analyses évolutives que nous avons utilisées nous permet de mieux expliquer les processus évolutifs agissant sur les chromosomes sexuels chez nos plus proches parents vivants, les grands singes", a déclaré Christian Huber, professeur adjoint de biologie à Penn State et auteur de le papier. "De plus, les génomes de référence que nous avons produits joueront un rôle déterminant dans les futures études sur l'évolution des primates et les maladies humaines."