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Rilasciata la prima sequenza completa di un cromosoma Y umano

Per decenni, il cromosoma Y, uno dei due cromosomi sessuali umani, è stato notoriamente una sfida per la comunità genomica da sequenziare a causa della complessità della sua struttura.

Ora, quest’area sfuggente del genoma è stata completamente sequenziata, un’impresa che completa finalmente l’insieme dei cromosomi umani end-to-end e aggiunge 30 milioni di nuove basi al genoma di riferimento umano, principalmente da DNA satellite difficile da sequenziare. Queste basi rivelano 41 ulteriori geni codificanti proteine ​​e forniscono informazioni cruciali per coloro che studiano importanti questioni relative alla riproduzione, all’evoluzione e al cambiamento della popolazione.

I ricercatori del consorzio Telomere-to-Telomere (T2T), co-guidato da Karen Miga, professoressa assistente di ingegneria biomolecolare dell’Università della California a Santa Cruz, hanno annunciato questo risultato in un articolo pubblicato sulla rivista Nature . Il riferimento completo e annotato al cromosoma Y è disponibile per l’uso su UCSC Genome Browser ed è accessibile tramite Github.

“Solo pochi anni fa, metà del cromosoma Y umano mancava [dal riferimento] – le aree satellite complesse e impegnative”, ha affermato Monika Cechova, co-autrice principale dell’articolo e studiosa post-dottorato in ingegneria biomolecolare presso l’UCSC. “Allora non sapevamo nemmeno se potesse essere sequenziato, era davvero sconcertante. Si tratta davvero di un enorme cambiamento in ciò che è possibile.”

Completando l’Y

Quando scienziati e medici studiano il genoma di un individuo, confrontano il DNA dell’individuo con quello di un riferimento standard per determinare dove c’è variazione. Fino ad ora, la porzione del cromosoma Y del genoma umano conteneva ampie lacune che rendevano difficile comprendere le variazioni e le malattie associate.

La struttura del cromosoma Y è stata difficile da decodificare perché parte del DNA è organizzato in palindromi – lunghe sequenze che sono le stesse in avanti e all’indietro – che si estendono fino a più di un milione di paia di basi. Inoltre, una parte molto ampia del cromosoma Y che mancava nella versione precedente del riferimento Y è il DNA satellite: regioni ampie e altamente ripetitive di DNA non codificante proteine. Sul cromosoma Y, due satelliti sono interconnessi tra loro, complicando ulteriormente il processo di sequenziamento.

I ricercatori sono stati in grado di ottenere una lettura senza interruzioni del cromosoma Y grazie ai progressi nella tecnologia di sequenziamento a lettura lunga e a nuovi metodi innovativi di assemblaggio computazionale che potrebbero gestire le sequenze ripetitive e trasformare i dati grezzi dal sequenziamento in una risorsa utilizzabile.

Questi nuovi assemblaggi di metodi hanno permesso al team di affrontare alcuni degli aspetti particolarmente impegnativi del cromosoma Y, come individuare con precisione il punto in cui si verifica un’inversione in una sequenza palindromica, una tecnica che può essere utilizzata per trovare altre inversioni. I metodi stabiliti nel documento consentiranno agli scienziati di completare più letture end-to-end dei cromosomi Y umani per comprendere meglio come questo materiale genetico influisce sulla diversa popolazione umana.

“Era il cromosoma Y a mancare la maggior parte delle sequenze del precedente genoma di riferimento”, ha detto Arang Rhie, scienziato del National Human Genome Research Institute e autore principale dell’articolo. “È sempre stato irritante sapere che ci mancava metà della Y ogni volta che provavamo a fare un’analisi basata sui riferimenti. Ero davvero entusiasta di curare la prima Y completa, per vedere cosa ci mancava effettivamente e cosa possiamo fare ora.”

Nel 2018, Miga e i suoi colleghi hanno pubblicato la prima mappa completa di un centromero umano sul cromosoma Y. Questa prima chiusura del divario è stata attribuita all’accesso a dati ultra-lunghi, che si basa sulla tecnologia di sequenziamento dei nanopori che ha le sue origini qui all’UCSC . A quel punto era chiaro che la tecnologia emergente e i set di dati a lunga lettura e ad alta copertura avevano il potenziale per completare interi cromosomi da un capo all’altro, il che ha portato al lancio del consorzio T2T, co-guidato da Phillippy e Miga.

Ora, appena cinque anni dopo, il consorzio T2T ha riempito 30 milioni di paia di basi aggiuntive, oltre al primo genoma umano completamente sequenziato (tutti gli autosomi e il cromosoma X) che è stato rilasciato nel 2022.

Abilitare nuove ricerche e scoperte

Il cromosoma Y è più comunemente associato a individui assegnati come maschi alla nascita, ma può essere trovato in altri, come le persone intersessuali. Anche i caratteri sessuali regolati dal DNA sul cromosoma Y non equivalgono all’identità di genere di un individuo. Sebbene ci siano relativamente pochi geni sul cromosoma Y, quelli presenti sono complessi e dinamici e codificano per funzioni importanti come la spermatogenesi, la produzione di sperma.

Il riferimento completo al cromosoma Y consentirà agli scienziati di studiare meglio una miriade di caratteristiche di questa parte del genoma umano in un modo che non è mai stato possibile prima.

La complessa struttura del cromosoma Y si è prestata ad una rapida evoluzione all’interno delle sue famiglie di geni. In effetti, il cromosoma Y è il cromosoma umano che cambia più rapidamente, e anche il cromosoma che cambia più rapidamente tra le grandi scimmie. Ciò significa che i cromosomi Y di due persone sane possono apparire molto diversi: ad esempio, una persona potrebbe avere 40 copie di un gene, mentre un’altra persona ne ha 19 copie.

Questa evoluzione può ora essere studiata meglio utilizzando il nuovo riferimento e i metodi consolidati per il sequenziamento dei cromosomi Y. Questo potrebbe essere il focus futuro delle cliniche di fecondazione in vitro o di altre ricerche sulla riproduzione e l’infertilità.

La sequenza end-to-end del cromosoma Y è una risorsa estremamente importante per coloro che studiano l’evoluzione e la deriva della popolazione umana. Questo perché il cromosoma Y viene ereditato di generazione in generazione in un gruppo di materiale genetico, con pochissima ricombinazione al di fuori di quel gruppo, a differenza degli autosomi e dei geni sul cromosoma X umano che spesso si ricombinano e condividono il materiale genetico tra loro. Avere un quadro più chiaro del cromosoma Y rende più semplice tracciare i geni attraverso le generazioni di eredità e apprendere come la posizione e il contenuto dei geni sono cambiati nel tempo.

Le 30 milioni di nuove basi aggiunte al cromosoma Y di riferimento saranno cruciali anche per lo studio dell’evoluzione del genoma. Sarà ora possibile studiare modelli specifici e unici di sequenze del cromosoma Y, come la struttura dei due satelliti e la posizione e il numero di copie dei geni.

Anche all’interno del cromosoma Y, i geni sono suddivisi in diverse regioni, molto diverse tra loro in termini di contenuto, struttura e storia evolutiva. Comprendere i tassi di cambiamento sul cromosoma Y e come interpretare questo cambiamento sono questioni interessanti che ora sarà possibile studiare utilizzando le tecniche sviluppate in questo articolo per sequenziare completamente i cromosomi Y umani.

Il riferimento più ricco che include la sequenza completa del DNA satellite del cromosoma Y consentirà inoltre agli scienziati di comprendere meglio la relazione evolutiva di queste sequenze con il DNA satellite trovato altrove nel genoma.

“È emozionante poter finalmente vedere per la prima volta queste sequenze in regioni eterocromatiche [densamente fitte]. Finalmente possiamo progettare esperimenti per testare l’impatto e la funzione di queste parti precedentemente inesplorate del cromosoma Y”, ha affermato Miga. .

È stato dimostrato che le persone con cromosomi Y possono perdere parte o tutto il materiale genetico man mano che invecchiano, ma gli scienziati non hanno mai compreso appieno il motivo per cui ciò accade e gli effetti che potrebbe avere. Il riferimento completo al cromosoma Y può aiutare a illuminare questo mistero. Sarà anche più facile studiare le condizioni e i disturbi legati al cromosoma Y, come la mancata produzione di spermatozoi che porta alla sterilità.

Contaminazione nei genomi batterici

Una scoperta inaspettata di questo articolo è stata che il DNA del cromosoma Y è stato ripetutamente scambiato per DNA batterico in studi precedenti a causa della rimozione incompleta della contaminazione umana nel DNA batterico. Questa scoperta promette di migliorare lo studio dei genomi delle specie batteriche.

Il DNA umano può apparire come un contaminante nei campioni genomici delle specie batteriche perché il DNA batterico viene spesso prelevato da campioni prelevati dalla pelle umana. Gli scienziati utilizzano l’attuale riferimento del genoma umano per identificare quali sequenze provengono dalla contaminazione umana e rimuoverle, lasciando solo il DNA batterico per il loro studio. Ma, poiché gran parte del cromosoma Y umano mancava dal riferimento umano passato, gli scienziati non sono stati in grado di identificarli come umani e quindi li hanno scambiati per parte del DNA della specie che stavano studiando.

Questo articolo trova prove che circa 5.000 genomi batterici in un database comune probabilmente contenevano contaminazioni corrispondenti a sequenze Y umane. I gruppi che studiano queste specie batteriche possono utilizzare il riferimento Y aggiornato per rimuovere correttamente tutta la contaminazione umana dai loro genomi di riferimento e ottenere una comprensione più chiara del genoma batterico.

“È stata una cosa sorprendente”, ha detto Rhie. “La gente lo immaginava, ma nessuno poteva dimostrare che ciò stesse accadendo fino ad ora.”

Pangenoma Y e direzioni future

Anche se il cromosoma Y umano completo aprirà la porta a molte nuove scoperte, i ricercatori intendono migliorare ulteriormente lo studio di questa regione includendo il cromosoma Y nelle future versioni del pangenoma umano .

Il pangenoma è un nuovo riferimento per la genomica che combina le informazioni genomiche di più persone provenienti da diversi contesti ancestrali per consentire in definitiva ricerche e scoperte cliniche più eque, come aiutare a diagnosticare malattie, prevedere risultati medici e guidare i trattamenti.

In collaborazione con lo Human Pangenome Reference Consortium, i ricercatori intendono incorporare sequenze complete del cromosoma Y nei singoli genomi che compongono il pangenoma. Ciò aiuterà gli scienziati a capire come varia il cromosoma Y tra persone di diversa origine ancestrale e fornirà un punto di riferimento migliore per comprendere il cromosoma Y nella diversità della popolazione umana.

I ricercatori sperano di poter collaborare con scienziati di tutto il mondo per consentire ad altri di completare il sequenziamento del cromosoma Y.

“Il nostro obiettivo è rendere questi dati ampiamente accessibili”, ha affermato Miga. “Creando e condividendo questi importanti cataloghi di differenze genetiche sul cromosoma Y, possiamo espandere gli studi genetici sulle malattie umane e fornire nuove conoscenze sulla biologia di base”.

More information: The complete sequence of a human Y chromosome, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06457-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06425-6. On bioRxiv: DOI: 10.1101/2022.12.01.518724

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