Nuevos análisis de la secuencia de ADN de los cromosomas Y específicos del macho de todas las especies vivas de la familia de los grandes simios ayudan a aclarar cómo evolucionó este enigmático cromosoma
Nuevos análisis de la secuencia de ADN de los cromosomas Y específicos del macho de todas las especies vivas de la familia de los grandes simios ayuda a aclarar nuestra comprensión de cómo evolucionó este enigmático cromosoma.
Tener una imagen más clara de la evolución del cromosoma Y es importante para estudiar la fertilidad masculina en los seres humanos, así como para mejorar nuestra comprensión de los patrones de reproducción y la capacidad de rastrear los linajes masculinos en los grandes simios, lo que puede ayudar en los esfuerzos de conservación de estas especies en peligro.
Un equipo de biólogos y científicos informáticos de la universidad Penn State secuenció y ensambló el cromosoma Y de orangután y bonobo y comparó 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 ancestro de todos los grandes simios.
El artículo que describe la investigación apareció en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
"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", dijo Monika Cechova, estudiante de posgrado en la Universidad Estatal de Pennsylvania en el momento de la investigación y primera autora del documento. "El cromosoma Y contiene una gran cantidad de secuencias repetitivas, que son un reto para la secuenciación del ADN, el ensamblaje de las secuencias y la alineación de las secuencias para la comparación. No hay paquetes de software listos para usar para tratar el cromosoma Y, así que tuvimos que 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 en 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 de largo y que se leen igual hacia adelante y hacia atrás.
El trabajo previo del equipo que comparaba las secuencias de humanos, chimpancés y gorilas había revelado algunos patrones inesperados. Los humanos están más estrechamente relacionados con los chimpancés, pero para algunas características, la Y humana era más similar a la Y del gorila.
"Si solo se compara la identidad de la secuencia -comparando las As, Ts, Cs y Gs de los cromosomas- los humanos son más parecidos a los chimpancés, como es de esperar", dijo Kateryna Makova, Profesora de Biología de Penn State y una de las líderes del equipo de investigación. "Pero si observas 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 conocer los detalles de lo que estaba pasando".
El equipo, por lo tanto, secuenció el cromosoma Y de un bonobo, un pariente cercano del chimpancé, y de un orangután, un gran simio con un parentesco más lejano. Con estas nuevas secuencias, los investigadores pudieron ver que el bonobo y el chimpancé compartían el inusual patrón 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 otra parte, que sirve como un grupo externo para fundamentar las comparaciones, se parecía más o menos a lo que se espera en base a su conocida relación 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", dijo Rahulsimham Vegesna, estudiante de postgrado en la Universidad Estatal de Pennsylvania y co-autor del artículo. "En los chimpancés y bonobos, una hembra se aparea con varios machos durante un solo ciclo. Esto lleva a lo que llamamos "competencia de espermatozoides", el esperma de varios machos tratando de fertilizar un solo óvulo. Creemos que esta situación podría proporcionar la presión evolutiva para acelerar el cambio en el cromosoma Y de los chimpancés y bonobos, en comparación con otros simios con diferentes patrones de apareamiento, pero esta hipótesis, aunque es consistente con nuestros hallazgos, necesita ser evaluada en estudios posteriores".
Además de desentrañar algunos de los detalles de la evolución del cromosoma Y en especies individuales, el equipo utilizó el conjunto de secuencias de grandes simios para reconstruir cómo podría haberse visto el cromosoma Y en el ancestro de los grandes simios modernos.
"Tener el cromosoma Y del gran simio ancestral nos ayuda a entender cómo evolucionó el cromosoma", dijo Vegesna. "Por ejemplo, podemos ver que muchas de las regiones repetitivas y palíndromos del cromosoma Y ya estaban presentes en el cromosoma ancestral. Esto, a su vez, argumenta 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 una pareja compatible. Cada uno de nosotros obtiene dos copias de los cromosomas del 1 al 22, y luego algunos de nosotros (las mujeres) obtenemos dos cromosomas X y algunos de nosotros (los hombres) obtienen un X y un Y. Los cromosomas de la pareja pueden intercambiar secciones en un proceso llamado 'recombinación', que es importante para preservar los cromosomas evolutivamente. Debido a que el Y no tiene pareja, se había formulado la hipótesis de que las largas secuencias palindrómicas del Y podrían recombinarse consigo mismas y, por lo tanto, seguir siendo capaces de preservar sus genes, pero no se conocía el mecanismo.
"Utilizamos 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'", dijo Cechova. "Lo que encontramos fue que las regiones del cromosoma que se recombinan entre sí se mantienen muy cerca unas de otras espacialmente por la estructura del cromosoma".
"Trabajar en el cromosoma Y presenta muchos desafíos", dijo Paul Medvedev, profesor asociado de informática e ingeniería y de bioquímica y biología molecular en Penn State y el otro líder del equipo de investigación. "Tuvimos que desarrollar métodos especializados y análisis computacionales para dar cuenta de la naturaleza altamente repetitiva de la secuencia del cromosoma Y. Este proyecto es verdaderamente interdisciplinario y no podría haber sucedido sin la combinación de científicos computacionales y biológicos que tenemos en nuestro equipo".
