Yaşayan büyük maymun türlerinin tam X ve Y kromozom dizileri belirlendi
Penn State, Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü ve Washington Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından yönetilen uluslararası bir işbirliği ekibi tarafından beş büyük maymun türü ve bir küçük maymun türünün cinsiyet kromozomları için yeni üretilen, eksiksiz “uçtan uca” referans genomları, maymun türleri arasında erkeğe özgü Y kromozomundaki son derece hızlı değişiklikleri vurgulamaktadır. Bu bulgular cinsiyet kromozomlarının evrimine ışık tutmakta ve hem maymunlarda hem de insanlarda bu kromozomlar üzerindeki genlerle ilgili hastalıkların anlaşılmasını sağlamaktadır.
Penn State’te biyoloji profesörü ve araştırma ekibinin lideri olan Verne M. Willaman Yaşam Bilimleri Kürsüsü Başkanı Kateryna Makova, “Y kromozomu insan doğurganlığı için önemlidir ve X kromozomu üreme, biliş ve bağışıklık için kritik genleri barındırır” dedi. “Çalışmamız cinsiyet kromozomları, bunların nasıl evrimleştiği ve bunlarla ilişkili hastalıklar hakkında gelecekte yapılacak pek çok araştırmaya kapı açıyor. İncelediğimiz insan olmayan büyük maymun türlerinin hepsi tehlike altındadır. Bu türlerin cinsiyet kromozomu dizilerinin tamamının elde edilmesi, vahşi doğada cinsiyete özgü dağılımları ve üreme ve doğurganlık için önemli genleri üzerine yapılacak çalışmaları kolaylaştıracaktır.”
Bu tür referans genomlar, bu türlerin gelecekteki çalışmaları için yararlı olan temsili bir örnek görevi görür. Ekip, X kromozomuna kıyasla Y kromozomunun maymun türleri arasında büyük farklılıklar gösterdiğini ve türe özgü birçok diziyi barındırdığını tespit etti. Ancak yine de zararlı mutasyonları ortadan kaldırarak genetik bilgisini koruyan evrimsel bir güç olan arındırıcı doğal seçilime maruz kalmaktadır.
Yeni çalışma 29 Mayıs’ta Nature dergisinde yayınlandı.
Makova, “Araştırmacılar 2001 yılında insan genomunu diziledi, ancak aslında tam değildi” dedi. “O dönemde mevcut olan teknoloji, 2022-23 yıllarında Telomerden Telomere veya T2T Konsorsiyumu tarafından yürütülen yenilenmiş bir çabaya kadar belirli boşlukların doldurulmadığı anlamına geliyordu. Yaşayan en yakın akrabalarımız olan büyük maymunların cinsiyet kromozomlarının tam dizilimlerini belirlemek için İnsan T2T Konsorsiyumu tarafından geliştirilen deneysel ve hesaplamalı yöntemlerden yararlandık.”
Ekip, günümüzde yaşayan büyük maymun türlerinin çoğunu oluşturan şempanze, bonobo, goril, Bornean orangutanı ve Sumatra orangutanı olmak üzere beş büyük maymun türünün yanı sıra daha küçük bir maymun olan siamang için tam cinsiyet kromozomu dizileri üretti. Her türün bir bireyi için diziler oluşturdular. Elde edilen referans genomlar, araştırmacıların o türün diğer bireylerinin genomlarını sıralamasına ve birleştirmesine yardımcı olabilecek genlerin ve diğer kromozomal bölgelerin bir haritası olarak işlev görür. Bu türler için önceki cinsiyet kromozomu dizileri eksikti ya da – Bornean orangutanı ve siamang için – mevcut değildi.
Penn State’te doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarlarından biri olan Karol Pál, “Y kromozomu birçok tekrarlayan bölge içerdiğinden dizilenmesi zor olmuştur ve geleneksel kısa okuma dizileme teknolojisi dizileri kısa patlamalar halinde çözdüğünden, ortaya çıkan segmentleri doğru sıraya koymak zordur” dedi. “T2T yöntemleri, bu zorluğun üstesinden gelen uzun okumalı dizileme teknolojilerini kullanıyor. NHGRI’de Adam Phillippy’nin grubuyla işbirliği yaptığımız hesaplamalı analizdeki ilerlemelerle birlikte bu, daha önce dizilenmesi ve birleştirilmesi zor olan tekrarlayan bölgeleri tamamen çözmemizi sağladı. X ve Y kromozomlarını, X ve Y’nin daha önce oluşturulmuş insan T2T dizileri de dahil olmak üzere birbirleriyle ve türler arasında karşılaştırarak, evrimleri hakkında birçok yeni şey öğrendik.”
Y kromozomunda yüksek değişkenlik
Aynı zamanda Penn State Tıbbi Genomik Merkezi’nin direktörü olan Makova, “Cinsiyet kromozomları diğer kromozom çiftleri gibi başladı, ancak Y, uzunluğunun büyük bir kısmında diğer kromozomlarla genetik bilgi alışverişi yapmadığı için birçok delesyon, diğer mutasyonlar ve tekrarlayan elementler biriktirme konusunda benzersizdi” dedi.
Sonuç olarak, araştırma ekibi altı maymun türünde, Y kromozomunun boyut da dahil olmak üzere çeşitli özellikler bakımından X kromozomundan çok daha değişken olduğunu tespit etti. İncelenen maymunlar arasında X kromozomunun boyutu şempanze ve insanda DNA’yı oluşturan nükleotidleri temsil eden ACTG alfabesinin 154 milyon harfinden gorilde 178 milyon harfine kadar değişmektedir. Buna karşılık, Y kromozomu siamang’da 30 milyon DNA harfinden Sumatra orangutanında 68 milyon harfe kadar değişmektedir.
Türler arasında paylaşılan DNA dizisi miktarı da Y’de daha değişkendir. Örneğin, X kromozomunun yaklaşık %98’i insan ve şempanze arasında hizalanır, ancak Y’nin sadece üçte biri aralarında hizalanır. Araştırmacılar bunun kısmen Y kromozomunun yeniden düzenlenme veya genetik materyalinin bazı kısımlarının kopyalanma olasılığının daha yüksek olmasından kaynaklandığını bulmuşlardır.
Ayrıca, tekrarlanan diziler tarafından işgal edilen kromozom yüzdesi Y’de oldukça değişkendir. Türlere bağlı olarak, X kromozomlarının %62 ila %66’sı tekrarlayan elementler tarafından işgal edilirken, Y kromozomlarının %71 ila %85’i bunlar tarafından işgal edilmektedir. Bu yüzdeler hem X hem de Y’de insan genomundaki diğer kromozomlardan daha yüksektir.
Y nasıl hayatta kaldı
Makova, “Maymun Y’sinin küçüldüğünü, birçok mutasyon ve tekrar biriktirdiğini ve gen kaybettiğini gördük” dedi. “Peki daha önceki bazı hipotezlerin öne sürdüğü gibi Y kromozomu neden yok olmadı? Temple Üniversitesi’nden Sergei Kosakovsky Pond ve diğerleriyle işbirliği içinde, Y kromozomunun hala arındırıcı seçilim altında gelişen bir dizi gene sahip olduğunu bulduk – gen dizilerini sağlam tutan bir tür doğal seçilim. Bu genlerin çoğu spermatogenez için önemlidir. Bu da Y kromozomunun yakın zamanda yok olma ihtimalinin düşük olduğu anlamına geliyor.”
Araştırmacılar, Y kromozomu üzerindeki birçok genin hayatta kalmak için iki strateji kullandığını tespit etti. Bunlardan ilki genetik fazlalıktan (bir kromozom üzerinde aynı genin birden fazla kopyasının bulunması) yararlanıyor, böylece genin sağlam kopyaları mutasyon geçirebilecek kopyaları telafi edebiliyor. Ekip, maymun cinsiyet kromozomlarındaki çok kopyalı gen ailelerinin manzarasını ilk kez tamamlayarak bu genetik fazlalığı ölçtü.
İkinci hayatta kalma stratejisi, DNA alfabesindeki harf dizisini ACTG-GTCA gibi aynı ama ters dizinin takip ettiği palindromlardan yararlanır. Genler bir palindrom içinde yer aldıklarında, palindromun mutasyonları düzeltme yeteneğinden yararlanırlar.
Pál, “Y kromozomunun, ters çevrilmiş diziler hizalanacak şekilde katlanan iki palindrom kolunun tekrarlanan dizileri arasında kendisiyle genetik bilgi alışverişi yapabildiğini bulduk” dedi. “Aynı genin iki kopyası palindromlar içinde yer aldığında ve bir kopya mutasyona uğradığında, mutasyon başka bir kopya ile genetik değişim yoluyla kurtarılabilir. Bu, Y’nin diğer kromozomlarla genetik bilgi alışverişi eksikliğini telafi edebilir.”
Araştırma ekibi, daha önce dizilenmesi ve incelenmesi zor olan maymun cinsiyet kromozomları üzerindeki palindromların tam dizilerini de ilk kez elde etti. Palindromların özellikle maymun Y kromozomunda bol miktarda ve uzun olduğunu, ancak genellikle sadece yakın akraba türler arasında paylaşıldığını buldular.
Johns Hopkins Üniversitesi’nden Michael Schatz ve ekibiyle işbirliği yapan araştırmacılar, her bir tür içindeki genetik varyasyonu daha iyi anlamak ve doğal seçilim ve diğer evrimsel güçlerin bu kromozomlar üzerinde etkili olduğuna dair kanıtlar aramak için 129 ayrı goril ve şempanzenin cinsiyet kromozomlarını da inceledi.
Penn State’te biyoloji profesörü ve makalenin yazarlarından biri olan Zachary Szpiech, “Daha önce çalışılmış goril ve şempanze bireylerinin cinsiyet kromozomu dizileme okumalarını yeni referans dizilerimizle hizalayarak önemli yeni bilgiler elde ettik” dedi. “Gelecekte örneklem büyüklüğünü artırmak, farklı evrimsel güçlerin imzalarını tespit etme yeteneğimizi geliştirmek için çok yararlı olacak olsa da, nesli tükenmekte olan türlerle çalışırken bu etik ve lojistik açıdan zor olabilir, bu nedenle elimizdeki verilerden en iyi şekilde yararlanabilmemiz çok önemlidir.”
Araştırmacılar, goriller ve şempanzelerdeki Y kromozomu varyasyonunu açıklayabilecek çeşitli faktörleri araştırdılar ve bu analiz, Y üzerinde arındırıcı seçilimin ek imzalarını ortaya çıkardı. Bu, genlerin önceki analizlerinde keşfedildiği gibi, Y üzerinde bu tür doğal seçilimin rolünü doğrulamaktadır.
Penn State’te biyoloji profesörü ve makalenin yazarlarından biri olan Christian Huber, “Kullandığımız biyoinformatik teknikler ve evrimsel analizlerin güçlü kombinasyonu, yaşayan en yakın akrabalarımız olan büyük maymunlarda cinsiyet kromozomları üzerinde etkili olan evrimsel süreçleri daha iyi açıklamamızı sağlıyor” dedi. “Ayrıca, ürettiğimiz referans genomlar, primat evrimi ve insan hastalıkları üzerine gelecekte yapılacak çalışmalar için de önemli bir araç olacaktır.”
Penn State’teki araştırma ekibinde Makova, Pál, Szpiech ve Huber’in yanı sıra biyoloji ve biyokimya ve moleküler biyoloji bölümlerinde hesaplama bilimcisi olan Kaivan Kamali; biyoinformatik ve genomik alanında yüksek lisans öğrencisi Troy LaPolice; bilgisayar bilimi ve mühendisliği ile biyokimya ve moleküler biyoloji profesörü Paul Medvedev; biyoloji bölümünde araştırma asistanı olan Sweetalana yer alıyor; Huiqing Zeng, biyoloji araştırma teknoloğu; Xinru Zhang, biyoinformatik ve genomik yüksek lisans öğrencisi; Robert Harris, biyoloji yardımcı araştırma profesörü, şimdi emekli; Barbara McGrath, biyoloji yardımcı araştırma profesörü, şimdi emekli; ve Sarah Craig, biyoloji yardımcı araştırma profesörü, şu anda Ulusal Sağlık Enstitüleri’nde program görevlisi. Ortak yazarlar arasında Penn State mezunu olan ve şu anda California Santa Cruz Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapan Monika Cechova ve Arizona Eyalet Üniversitesi’nde doçent olarak görev yapan Melissa Wilson da yer alıyor.
Makova’ya ek olarak ekip, NHGRI’de kıdemli araştırmacı olan çalışma yazarları Adam Phillippy ve Washington Üniversitesi’nde Genom Bilimleri profesörü olan Evan Eichler tarafından yönetildi. Bu makalenin yazarlarının tam listesine buradan ulaşabilirsiniz.
Bu araştırma Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edilmiştir.
Bu yazı sciencedaily sitesinde yayınlanmıştır.
