由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國際合作團隊制作了五種大型猿類和一種小型猿類性染色體的全新完整“端到端”參考基因組，突顯了猿類物種中雄性特有的 Y 染色體的極快變化。這些發現揭示了性染色體的進化，并有助于了解猿類和人類中與這些染色體上的基因相關的疾病。

“Y 染色體對人類生育能力至關重要，而 X 染色體則含有對生殖、認知和免疫至關重要的基因，”賓夕法尼亞州立大學生物學教授、生命科學 Verne M. Willaman 主席、研究小組負責人 Kateryna Makova 說道。“我們的研究為未來許多關于性染色體、性染色體如何進化以及與性染色體相關的疾病的研究打開了大門。我們研究的現存非人類類人猿物種都瀕臨滅絕。它們的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分布以及它們對生殖和生育能力至關重要的基因。”

此類參考基因組可作為代表性樣本，對未來研究這些物種大有裨益。研究小組發現，與 X 染色體相比，Y 染色體在猿類物種間差異很大，且包含許多物種特異性序列。然而，它仍受自然選擇的凈化作用——一種通過消除有害突變來保護其遺傳信息的進化力量。

這項新研究于 5 月 29 日發表在《自然》雜志上。

“研究人員在 2001 年對人類基因組進行了測序，但實際上并不完整，”馬科娃說。“當時可用的技術意味著某些空白直到 2022-23 年由端粒到端粒 (T2T) 聯盟領導的新努力才能填補。我們利用人類 T2T 聯盟開發的實驗和計算方法來確定我們現存最親近的親屬——類人猿的性染色體的完整序列。”

研究小組為五種類人猿(黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩、婆羅洲猩猩和蘇門答臘猩猩，它們構成了現存的大多數類人猿物種)以及一種較小的類人猿合趾猿生成了完整的性染色體序列。他們為每個物種的一個個體生成了序列。由此產生的參考基因組充當基因和其他染色體區域的圖譜，可幫助研究人員對該物種的其他個體的基因組進行測序和組裝。這些物種以前的性染色體序列不完整，或者(對于婆羅洲猩猩和合趾猿)根本不存在。

“Y 染色體的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以短脈沖方式解碼序列，因此很難將得到的片段按正確的順序排列，”賓夕法尼亞州立大學博士后研究員、該研究的共同第一作者 Karol Pál 說道。“T2T 方法使用長讀測序技術來克服這一挑戰。結合我們與 NHGRI 的 Adam Phillippy 團隊合作的計算分析進展，這使我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物種之間進行比較，包括與之前生成的 X 和 Y 的人類 T2T 序列進行比較，我們了解到了許多有關它們進化的新知識。”

Y 染色體變異性高

“性染色體的起始過程與其他染色體對一樣，但 Y 染色體卻獨一無二，積累了許多缺失、其他突變和重復元素，因為在其大部分長度上，它并不與其他染色體交換遺傳信息，”馬科娃說，她同時也是賓夕法尼亞州立大學 醫學基因組學中心主任。

結果，研究小組發現，在六種猿類中，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。在所研究的猿類中，X 染色體的大小范圍從黑猩猩和人類的 ACTG 字母表(代表組成 DNA 的核苷酸)的 1.54 億個字母到大猩猩的 1.78 億個字母不等。相比之下，Y 染色體的范圍從合趾猿的 3000 萬個 DNA 字母到蘇門答臘猩猩的 6800 萬個字母不等。

物種間共享的 DNA 序列數量在 Y 染色體上也更具可變性。例如，人類和黑猩猩之間約有 98% 的 X 染色體對齊，但只有約三分之一的 Y 染色體對齊。研究人員發現，這在一定程度上是因為 Y 染色體更有可能被重新排列或部分遺傳物質被復制。

此外，Y 染色體上重復序列所占染色體百分比變化很大。根據物種不同，X 染色體上重復序列所占百分比為 62% 至 66%，而 Y 染色體上重復序列所占百分比為 71% 至 85%。這些百分比在 X 和 Y 染色體上都高于人類基因組中其他染色體。

Y 如何生存下來

“我們發現猿類的 Y 染色體正在縮小，積累了許多突變和重復，并且丟失了基因，”馬科娃說。“那么為什么 Y 染色體沒有像一些先前的假設所暗示的那樣消失呢?與天普大學的謝爾蓋·科薩科夫斯基·龐德等人合作，我們發現 Y 染色體上仍然有許多基因在凈化選擇下進化——這是一種保持基因序列完整的自然選擇。其中許多基因對精子發生很重要。這意味著 Y 染色體不太可能很快消失。”

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。第一種策略利用遺傳冗余——染色體上存在同一基因的多個拷貝——這樣完整的基因拷貝就可以補償可能發生突變的拷貝。該團隊首次通過完成猿類性染色體上多拷貝基因家族的景觀來量化這種遺傳冗余。

第二種生存策略利用了回文，即 DNA 字母表中的字母序列后面是相同但倒置的序列，例如 ACTG-GTCA。當基因位于回文中時，回文可以糾正突變，從而為基因帶來好處。

“我們發現 Y 染色體可以在兩個回文臂的重復序列之間與自身交換遺傳信息，這些回文臂折疊起來，使倒置序列對齊，”Pál 說。“當同一基因的兩個副本位于回文中時，如果其中一個副本發生突變，則可以通過與另一個副本進行遺傳交換來挽救突變。這可以彌補 Y 染色體與其他染色體之間缺乏遺傳信息交換的缺陷。”

研究小組還首次獲得了猿類性染色體上回文序列的完整序列，此前這些序列很難測序和研究。他們發現，回文在猿類Y染色體上特別豐富且很長，但它們通常只在近親物種之間共享。

研究人員還與約翰霍普金斯大學的邁克爾·沙茨及其團隊合作，研究了 129 只大猩猩和黑猩猩的性染色體，以更好地了解每個物種內的基因變異，并尋找自然選擇和其他進化力量作用于它們的證據。

“通過將大猩猩和黑猩猩的性染色體測序讀數與我們的新參考序列進行比對，我們從之前研究的大猩猩和黑猩猩個體中獲得了大量新信息，”賓夕法尼亞州立大學生物學助理教授、論文作者扎卡里·斯皮耶希 (Zachary Szpiech) 表示。“雖然未來增加樣本量將非常有助于提高我們檢測不同進化力量特征的能力，但在研究瀕危物種時，這在道德和后勤方面可能具有挑戰性，因此，充分利用現有數據至關重要。”

研究人員探索了可以解釋大猩猩和黑猩猩 Y 染色體變異的多種因素，這項分析揭示了 Y 染色體上凈化選擇的額外特征。這證實了這種自然選擇對 Y 染色體的作用，正如他們在之前的基因分析中發現的那樣。

“我們利用生物信息學技術和進化分析的強大組合，更好地解釋了我們現存近親類人猿性染色體上的進化過程，”賓夕法尼亞州立大學生物學助理教授、論文作者克里斯蒂安·胡貝爾 (Christian Huber) 說道。“此外，我們制作的參考基因組將對未來靈長類進化和人類疾病的研究起到重要作用。”