Сегментарная дупликация на Y-хромосоме человека - Segmental duplication on the human Y chromosome

Сегментарное дублирование представляют собой блоки ДНК длиной от 1 до 400 т.п.н., которые повторяются в нескольких сайтах генома и имеют сходство более 90%.^[1] Многочисленные исследования обнаружили корреляцию между локализацией сегментарных дупликаций и участками хромосомной нестабильности. Эта корреляция предполагает, что они могут быть медиаторами некоторых геномных нарушений. Показано, что сегментные дупликации фланкированы с обеих сторон большими гомологичными повторами, что подвергает область повторяющейся реаранжировки за счет неаллельной гомологичной рекомбинации, приводящей к делеции, дупликации или инверсии исходной последовательности.^[1]

Фон

Обнаружение сегментарных дупликаций

Каталогизация сегментарных дупликаций изначально была сложной из-за ее незаметности, большого размера и высокой степени сходства последовательностей. Это привело к проблемам интерпретации отдельных локусов как одной последовательности, поскольку эти дупликации чрезмерно представлены в неупорядоченных и неназначенных контигах. Более того, эти дупликации более распространены в перицентромерных и субтеломерных областях. Могут быть получены ВАС, содержащие внутрихромосомные дупликации, и их характер дупликации можно охарактеризовать с помощью РЫБЫ. Сравнение может быть выполнено между хромосомами, которые были положительными с помощью FISH, и положением в хромосоме с помощью BLAST.^[2] Ученые пытались нанести на карту расположение этих сегментарных дупликаций, но они столкнулись с проблемами точного секвенирования в этих областях дупликации. Из-за этого ученые разделяют мнение о том, что точная сборка генома человека затруднена из-за этих сегментарных дупликаций.^[2]

Геномная нестабильность

Области генома, окруженные повторами, представляют собой потенциальные горячие точки геномной нестабильности, склонные к вариант номера копии. Было показано, что более крупные и более гомологичные дублированные последовательности приводят к более спорадическим событиям сегментарной анеусомии. Геном человека содержит около 130 областей, на общую сумму 274Mb и десять процентов от общего генома, которые фланкированы этими внутрихромосомными дупликациями. В настоящее время ученые определили, что двадцать пять из этих областей напрямую связаны с той или иной формой генетического заболевания.^[1] Дальнейшие исследования выявили 51 регион, демонстрирующий нестабильность генома в виде полиморфизма числа копий. Также было замечено, что эти CNP распространены также среди различных этнических групп. Это позволяет сделать два важных утверждения. Во-первых, возможно, что структурные перестройки являются эволюционно древними и произошли до разделения этнических групп. Во-вторых, также возможно, что они произошли независимо внутри каждой этнической группы. Исследования также обнаружили увеличение сегментарных дупликаций в регионах CNP, показывая, что дупликации ответственны за вариацию в количестве копий. Были выдвинуты гипотезы, предполагающие, что многие CNP распространены только в человеческом геноме из-за отсутствия или присутствия эволюционно недавних событий сегментарной дупликации, которые не совсем закрепились в человеческой популяции.^[1] Это показывает, что сегментарные дупликации ответственны за определение мест хромосомных перестроек в геноме человека. Сегментные дупликации также часто сами по себе являются вариантами количества копий.

Сегментарные дупликации приматов

Большинство сегментарных дупликаций человека имеют длину менее 300 т.п.н., тогда как исследования начали показывать, что другие приматы, такие как шимпанзе, содержат больше дупликаций. Существует разница в количестве копий и содержании примерно для трети дубликатов с общей идентичностью не менее 94%. Однако, когда уровни сегментарной дупликации у приматов сравниваются с другими млекопитающими, мы видим, что приматы в среднем содержат больше, чем остальной мир млекопитающих.^[3]

Предполагается, что сегментарные дупликации имеют эволюционное значение. Исходя из этого, было замечено, что сегментарные дупликации новой линии сопоставляются с общими предковыми дупликациями при сравнении человека и шимпанзе. Это явление, известное как дублирование теней, предполагает, что уникальные области, фланкирующие дупликации, примерно в десять раз чаще дублируются, чем другие случайно дублированные области. Одним из отличительных факторов геномов приматов от геномов других млекопитающих является обилие межхромосомных и перемежающихся межхромосомных дупликаций. 48% дупликаций у человека можно назвать межхромосомными, по сравнению с 13% у мышей.^[3]

Сегментные дупликации, обнаруженные в геномах приматов, подпадают под одну из трех классификаций. Это перицентромерные, субтеломерные и интерстициальные области. Сегментарные дупликации в перицентромерных областях уникальны тем, что около 30% их последовательности можно отнести к дупликациям, происходящим из других хромосом. Число сегментарных дупликаций в перицентромерных регионах сильно варьирует, их всего лишь ноль. Двадцать девять из сорока трех перицентромерных областей имеют ту или иную форму сегментарной дупликации общим размером 47,6 МБ, что составляет почти треть всех сегментарных дупликаций, обнаруженных в геноме человека. Сегментная дупликация в субтеломерных областях подобна перицентромерным в том, что они обогащены межхромосомными сегментарными дупликациями. Тридцать из сорока двух субтеломерных областей содержат сегментарные дупликации. Однако их всего 2,6 МБ. Неизвестно, возникают ли дупликации субтеломерных областей из других хромосом, как в перицентромерных областях. Сегментные дупликации интерстициальной области распределены на эухроматине между перицентромерными и субтеломерными областями. На их долю приходится большая часть межхромосомных дупликаций. Интерстициальные дупликации составляют большинство наиболее крупных и наиболее идентичных сегментарных дупликаций человека по сравнению с межхромосомными дупликациями.^[3]

После образования сегментарных дупликаций становятся возможными силы эволюции, такие как замены пар оснований, вставки, делеции и ретротранспозиция. Было высказано предположение, что сегментарные дупликации претерпевают мутации, обусловленные гомологией. Есть два основных процесса, обусловленных гомологией, которые приводят к структурным изменениям. Гомология между сегментарными дупликациями может инициировать NAHR, которое происходит из выравнивания очень похожих сегментарных дупликаций, за которыми следует паралогичная рекомбинация, или посредством невзаимного переноса последовательности от одной сегментной копии дупликации к другой. Это называется преобразованием генов, которое можно обнаружить с помощью недавно созданных вычислительных алгоритмов.^[3]

Роль в эволюции

Сегментные дупликации также важны для их роли в эволюции новых генов, поскольку это один из основных механизмов, с помощью которых создаются новые гены. Наиболее распространенный метод, с помощью которого работает сегментарная дупликация при создании новых генов, - это дупликация всего гена, будь то тандем или вкрапленная конфигурация. Используя полногеномное секвенирование, было обнаружено, что плотность генов является самым большим фактором, показывающим корреляцию с плотностью сегментарной дупликации.^[3] Однако это не означает, что все сегментарные дупликации обогащены генами и что все области дупликации являются сайтами для образования новых генов. Скорее, было замечено, что сегментарные дупликации, которые содержат интерстициальные межхромосомные дупликации, представляют собой области с наибольшим обогащением генов. Сравнивая субтеломерные и перицентромерные области, видно, что субтеломерные области содержат больше генного содержимого и транскрипционной активности. Гены, обнаруженные в сегментарных дупликациях, также имеют общие свойства. Во-первых, сильные признаки положительного отбора обычны для сегментированных генов. Во-вторых, эти гены в пять-десять раз чаще, чем их аналоги, демонстрируют межвидовые и внутривидовые структурные изменения и вариации числа копий. Наконец, иммунный ответ и распознавание ксенобиотиков - это некоторые функции, которыми обогащены эти гены. Вместе это указывает на важную роль сегментарного дублирования в адаптивной эволюции человека и приматов.^[3]

Это имеет большое влияние на людей, поскольку полиморфные вставки, инверсии и делеции чаще обнаруживаются вблизи участков сегментарных дупликаций. Аналогично наблюдаемому у шимпанзе, это предполагает, что дублированные области продолжают перестраиваться и эволюционировать в современных популяциях приматов.^[3] Недавние исследования также показывают, что сегментарные дупликации и структурные вариации также обладают защитным и благотворным действием. Полиморфизм инверсии 900kb, который опосредован сегментарной дупликацией, связан с положительным отбором для увеличения фертильности у исландского населения. Кроме того, увеличенное количество копий CCL3L1 из-за дупликации связано со снижением восприимчивости к ВИЧ-инфекции.^[3]

Y-хромосома человека

Y-хромосома человека содержит наибольшую долю дублированных последовательностей в геноме человека - 50,4%.^[3] Большая часть хромосомы (41 МБ из 63 МБ) состоит из трех блоков сильно повторяющихся сателлитов и других повторов. Другая область эухроматина 22Mb также имеет уникальную генетическую структуру с большими богатыми генами палиндромами.^[4]

Сегментарные дупликации в переходных областях эухроматин / гетерохроматин на Y-хромосоме человека

Сложность картирования перицентромерных областей

На Y-хромосоме человека, а также на Y-хромосомах других приматов перицентромерные и субтеломерные области являются наиболее важными. Перицентромерная область - это область вокруг центромеры хромосомы. Однако существуют проблемы при картировании этих перицентромерных проблем. В первую очередь, перицентромерные области обладают высокой степенью сходства (> 98%). Из-за этого становится все труднее разбирать контиги последовательностей с использованием подходов с дробовиком всего генома. Для решения этой проблемы был разработан новый метод, позволяющий облегчить картирование перицентромерных областей. Их главный прорыв состоял в том, что эта новая методология позволила обнаруживать эти совпадения. Это было достигнуто с помощью трансхромосомного анализа, а не подхода на основе цис для обнаружения. Этот новый метод позволил детектировать клоны ВАС, а также ранее трудные для определения гетерохроматиновые части перицентромерных областей.^[5] Это позволяет более внимательно изучить эти регионы.

Перицентромерная область в Yq11

Перицентромерная область на Y-хромосоме представляет собой островок эухроматина размером 450 т.п.н. между последовательностью третьего сателлита и длинным плечом хромосомы. Сравнительные эксперименты по сборке полного генома показали, что 80,2% перицентромерной последовательности Y-хромосомы состоит из сегментарных дупликаций, причем 73,8% и 5,3% ДНК дупликации межхромосомно и внутрихромосомно соответственно. Предполагается, что он появился недавно, в пределах последних тридцати миллионов лет эволюции приматов.^[4] Дальнейшее FISH-тестирование подтверждает, что сегмент сильно дублирован и что большинство сигналов расположено около центромерной области хромосомы.^[4]^[6] Кроме того, перицентромерный участок Yq11 имеет общие длинные участки последовательности с хромосомами 1, 2, 3, 10, 16 и 22. В этой же области тридцать шесть модулей распределены межхромосомно, в то время как только один модуль распределен внутрихромосомно. В области Yq11 имеется двадцать сегментов генов, и тринадцать из них считаются нефункциональными генами. Восемь из этих генных сегментов демонстрируют признаки дегенерированных процессированных псевдогенов, а пять из них демонстрируют частичную экзон-интронную структуру.^[4]

Множественные копии ампликонных генов на msrY

MsrY - это специфическая для мужчин область Y-хромосомы сумчатых и плацентарных млекопитающих. На этой Y-хромосоме ампликонические гены присутствуют в нескольких копиях. Эта группа генов претерпевает генную конверсию. Ампликонические гены развиваются быстрее, чем их аутосомные аналоги. Фактически, они даже развиваются быстрее, чем гены-единственные копии, расположенные на Y-хромосоме. Наконец, эти ампликонические гены развиваются быстрее у современного человека и шимпанзе по сравнению с обезьянами Старого Света в прошлом.^[7]

Эволюционная динамика сегментарной дупликации

Специфическая для мужчин область Y-хромосомы содержит мозаику гетерохроматиновых последовательностей. Он также состоит из трех классов эухроматических последовательностей: ампликонических генов, X-транспонированных и X-вырожденных. Также было показано, что существует дополнительная эухроматическая последовательность для области Yq11 Y-хромосомы. Все эти области в основном межхромосомные. Есть также три дополнительных переходных участка эухроматин / гетерохроматин, всего четыре на Y-хромосоме. Вместе это Yp11.2 / Yp11.1, Yq11.1 / Yq11.21, Yq11.23 / Yq12 и Yq12 / PAR2. Из этих четырех областей участок Yq11.23 / Yq12 уникален по своей структуре, поскольку он состоит из повторяющихся дупликонов TPTE и SLC25A15, которые произошли из разных участков с длинными плечами хромосомы 13. Кроме того, Yp11.2 / Yp11.1 и Области Yq11.1 / Yq11.21 содержат более древние дупликации и преимущественно расположены в субтеломерных регионах. В настоящее время эти дупликации предпочитают отображать в перицентромерных регионах современного человека и шимпанзе. Произошел переход от субтеломерных регионов обезьян Старого Света к перицентромерным регионам современных приматов. Это эволюционное изменение совпадает с сокращением субтеломерных областей, а также развитием альфа-спутников более высокого порядка.^[8]

Yp11.2 / Yp11.1 переходная область

Это единственная область, которая не проявляет какой-либо гомологии с сегментной дупликацией других хромосом с идентичностью последовательностей более 95%. Снижая условия строгости, гомологи могут быть определены с хромосомами 1, 2, 3, 4, 8, 9, 10, 16 и 18. На Y-хромосоме шимпанзе существуют три копии этого человеческого региона с двумя окружающими центромеру Y-хромосомы. а третий - на Yp11.2. И человеческая область, и гомологичная область шимпанзе окружены типичной альфа-сателлитной ДНК, обнаруживаемой рядом с центромерами хромосомы. Первая дупликативная транспозиция произошла около 1,2 млн лет назад, а инверсия второй более крупной геномной последовательности - 880 000 лет назад.^[8]

Область перехода Yq11.1 / Yq11.21

Y-хромосома шимпанзе полностью охватывает ортологическую часть человеческого региона, а человеческий регион полностью входит в ортологичный регион шимпанзе. Сегментные дупликации в основном совпадают между двумя геномами, за исключением хромосом 1, 11 и 14, которые не могут быть локализованы в геноме шимпанзе.^[8]

Переходные области Yq11.23 / Yq12 и Yq12 / PAR2

Если посмотреть на область Yq11.23 / Yq12, можно обнаружить множество сегментарных дупликаций как в хромосомах человека, так и в хромосомах шимпанзе, за исключением пары, дающей 93% совпадения. Однако не удалось обнаружить ортологичные последовательности для переходной области Yq12 / PAR2. Было показано, что сегментарные дупликации из переходных областей Yq11.1 / Yq11.21, Yq11.23 / Yq12 и Yq12 / PAR2 обнаруживают предрасположенность к накоплению в перицентромерных областях генома человека и шимпанзе.^[8]

Межхромосомная сегментарная дупликация приматов, отличных от человека

Анализ суматранского орангутана, белохохолистой мартышки, большого кустарника и лемура серой мыши привел к открытию восьми новых дупликонов, которые соответствуют более древним событиям дублирования. Более того, это показывает, что эти дупликоны разошлись больше, чем другие виды млекопитающих. Кроме того, было показано, что четыре мутировавших вставки ретротранспозона полностью имитируют существование дополнительных предковых дупликонов, что свидетельствует о необходимости секвенирования переходных областей эухроматин / гетерохроматин для этих млекопитающих.^[9]