Un nuevo análisis de la secuencia de ADN de los cromosomas Y específicos de los machos de todas las especies vivientes de la familia de los grandes simios ayuda a aclarar nuestra comprensión de cómo evolucionó este enigmático cromosoma. Una imagen más clara de la evolución del cromosoma Y es importante para estudiar la fertilidad masculina en humanos, así como para aumentar nuestra comprensión de los patrones de reproducción y la capacidad de rastrear los linajes masculinos en los grandes simios, lo que puede ayudar con los esfuerzos de conservación de estas especies en peligro de extinción.
Un equipo de biólogos e informáticos de Penn State secuenciaron y ensamblaron el cromosoma Y de orangután y bonobo y compararon esas secuencias con las secuencias Y existentes de humanos, chimpancés y gorilas. A partir de la comparación, el equipo pudo aclarar los patrones de evolución que parecen encajar con las diferencias de comportamiento entre las especies y reconstruir un modelo de cómo podría haber sido el cromosoma Y en el antepasado de todos los grandes simios.
Un artículo que describe la investigación aparece el 5 de octubre de 2020 en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
El cromosoma Y contiene muchas secuencias repetitivas, y no existe software para la complicada secuenciación de su ADN
«El cromosoma Y es importante para la fertilidad masculina y contiene los genes críticos para la producción de esperma, pero a menudo se descuida en los estudios genómicos porque es muy difícil de secuenciar y ensamblar«, comenta Monika Cechova, estudiante graduada en Penn State en el momento de iniciarse la investigación y coprimera autora del artículo. «El cromosoma Y contiene muchas secuencias repetitivas, que son un desafío para la secuenciación del ADN, el ensamblaje de secuencias y la alineación de secuencias para la comparación. No hay paquetes de software listos para usar para tratar con el cromosoma Y, así que tuvimos para superar estos obstáculos y optimizar nuestros protocolos experimentales y computacionales, lo que nos permitió abordar interesantes cuestiones biológicas«.
El cromosoma Y es inusual. Contiene relativamente pocos genes, muchos de los cuales están involucrados en la determinación del sexo masculino y la producción de esperma. Grandes secciones de ADN repetitivo, secuencias cortas repetidas una y otra vez; y grandes palíndromos de ADN, repeticiones invertidas que pueden tener muchos miles de letras y leer lo mismo hacia adelante y hacia atrás.
El trabajo anterior del equipo que comparó secuencias de humanos, chimpancés y gorilas había revelado algunos patrones inesperados. Los humanos están más estrechamente relacionados con los chimpancés, pero por algunas características, la Y humana era más similar a la Y del gorila.
«El cambio acelerado que vemos en los chimpancés y bonobos podría estar relacionado con sus hábitos de apareamiento»
«Si se compara la identidad de secuencia (comparando las A, T, C y G de los cromosomas), los humanos son más similares a los chimpancés, como era de esperar«, confirma Kateryna Makova, profesora Pentz de biología en Penn State y una de los líderes del equipo de investigación. «Pero si miras qué genes están presentes, los tipos de secuencias repetitivas y los palíndromos compartidos, los humanos se parecen más a los gorilas. Necesitábamos el cromosoma Y de más especies de grandes simios para desentrañar los detalles de lo que estaba sucediendo”.
Por lo tanto, el equipo secuenció el cromosoma Y de un bonobo, un pariente cercano del chimpancé, y un orangután, un gran simio pariente más lejano. Con estas nuevas secuencias, los investigadores pudieron ver que el bonobo y el chimpancé compartían el patrón inusual de tasas aceleradas de cambio de secuencia de ADN y pérdida de genes, lo que sugiere que este patrón surgió antes de la división evolutiva entre las dos especies. El cromosoma Y del orangután, por otro lado, que sirve como un grupo externo para fundamentar las comparaciones, se parecía a lo que esperas en función de su relación conocida con los otros grandes simios.
«Nuestra hipótesis es que el cambio acelerado que vemos en los chimpancés y bonobos podría estar relacionado con sus hábitos de apareamiento«, aventura Rahulsimham Vegesna, estudiante de posgrado en Penn State y coautor principal del artículo. «En los chimpancés y los bonobos, una hembra se aparea con varios machos durante un solo ciclo. Esto lleva a lo que llamamos ‘competencia de esperma’, el esperma de varios machos que intentan fertilizar un solo óvulo. Creemos que esta situación podría proporcionar la presión evolutiva para acelerar el cambio en el cromosoma Y del chimpancé y del bonobo, en comparación con otros simios con diferentes patrones de apareamiento, pero esta hipótesis, si bien es consistente con nuestros hallazgos, debe evaluarse en estudios posteriores«.
Trabajar en el cromosoma Y presenta muchos desafíos
Además de desentrañar algunos de los detalles de cómo evolucionó el cromosoma Y en especies individuales, el equipo usó el conjunto de secuencias de grandes simios para reconstruir cómo podría haber sido el cromosoma Y en el antepasado de los grandes simios modernos.
«Tener el cromosoma Y ancestral del gran simio nos ayuda a comprender cómo evolucionó el cromosoma«, afirma Vegesna. «Por ejemplo, podemos ver que muchas de las regiones repetitivas y palíndromos en la Y ya estaban presentes en el cromosoma ancestral. Esto, a su vez, defiende la importancia de estas características para el cromosoma Y en todos los grandes simios y nos permite explorar cómo evolucionaron en cada una de las especies separadas«.
El cromosoma Y también es inusual porque, a diferencia de la mayoría de los cromosomas, no tiene un compañero compatible. Cada uno de nosotros recibe dos copias de cromosomas 1 a 22, y luego algunos de nosotros (mujeres) obtenemos dos cromosomas X y algunos de nosotros (hombres) obtenemos uno X y uno Y. Los cromosomas asociados pueden intercambiar secciones en un proceso llamado ‘recombinación’, que es importante para preservar los cromosomas evolutivamente. Debido a que la Y no tiene pareja, se había planteado la hipótesis de que las secuencias palindrómicas largas en la Y podrían recombinarse con ellas mismas y, por lo tanto, conservar sus genes, pero no se conocía el mecanismo.
«Usamos los datos de una técnica llamada Hi-C, que captura la organización tridimensional del cromosoma, para tratar de ver cómo se facilita esta ‘auto-recombinación’«, asegura Cechova. «Lo que encontramos fue que las regiones del cromosoma que se recombinan entre sí se mantienen muy próximas espacialmente por la estructura del cromosoma«.
«Trabajar en el cromosoma Y presenta muchos desafíos«, según Paul Medvedev, profesor asociado de ciencias de la computación e ingeniería y de bioquímica y biología molecular en Penn State y colíder del equipo de investigación. «Tuvimos que desarrollar métodos especializados y análisis computacionales para dar cuenta de la naturaleza altamente repetitiva de la secuencia de la Y. Este proyecto es verdaderamente interdisciplinario y no podría haber tenido lugar sin la combinación de científicos computacionales y biológicos que tenemos en nuestro equipo”.
Fuente: PNAS.
