Учёные из Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University) разработали более дешёвый и более быстрый, чем ранее использовавшиеся (например, SHIMS), способ определить нуклеотидную последовательность Y-хромосомы. Новая техника облегчит получение генетической информации из Y-хромосомы большинства видов животных и позволит изучать мужское бесплодие и специфичные для мужских особей мутации.
В научной работе, опубликованной в журнале Genome Research, исследователи описали метод и открытие, сделанное с его помощью. Учёные сравнили нуклеотидную последовательность Y-хромосом гориллы, человека и шимпанзе. «Как ни странно, мы обнаружили, что Y-хромосома гориллы во многом более близка к человеческой Y-хромосоме, чем к Y-хромосоме шимпанзе, — говорит Катерина Макова (Kateryna Makova), один из авторов исследования, — в тех участках хромосомы, где мы можем выровнять последовательности всех трёх видов, схожесть последовательностей согласуется с тем, что мы знаем об эволюционном родстве видов — человек наиболее близок к шимпанзе. Однако, судя по всему, Y-хромосома шимпанзе претерпела больше изменений в количестве генов и содержит иное, по сравнению с хромосомами человека и гориллы, число повторяющихся элементов. Более того, если мы будем выравнивать Y-последовательности гориллы относительно Y-хромосом человека и шимпанзе, мы увидим, что большая их доля будет выравнена относительно человеческой хромосомы, а не хромосомы шимпанзе».
Определить нуклеотидную последовательность Y-хромосом млекопитающих очень сложно по ряду причин. Одна из причин состоит в том, что Y-хромосома присутствует только в одном экземпляре и составляет от 1 до 2 процентов всего генетического материала в клетке мужской особи. Поэтому исследователи использовали экспериментальную технику под названием проточная цитометрия (flow sorting или flow cytometry), которая позволяет отобрать для секвенирования Y-хромосомы, опираясь на размер и генетическое содержимое хромосомы.
«Проточная цитометрия увеличила количество Y-хромосом в нашем наборе данных примерно до 30%, — говорит Пол Медведев (Paul Medvedev), ещё один автор исследования, — чтобы получить больше данных об Y-хромосоме, мы разработали методику вычислений под называнием «RecoverY». Она сортирует данные на Y и не-Y последовательности, основываясь на том, как часто схожие последовательности появлялись в нашем массиве данных».
Y-хромосома состоит из последовательности молекул, называемых основаниями, которые обозначаются буквами А (аденин), Т (тимин), Ц (цитозин) и Г (гуанин). Современные технологии секвенирования производят прочтения фрагментов последовательности («риды») которые короче, чем полная длина хромосомы. Эти риды нужно расположить по порядку и соединить, определив места, где они перекрывают друг друга, образуя всё более длинные фрагменты. Чтобы собрать последовательность ДНК Y-хромосомы, исследователи использовали две разных технологии секвенирования.
Первая технология секвенирования производит большое количество очень коротких прочтений — примерно от 150 до 250 оснований длиной. Используя этот метод, исследователи секвенировали достаточно ридов, чтобы покрыть всю длину Y-хромосомы около 450 раз. Учёные объединили эти короткие прочтения в более длинные фрагменты, которые они соединили с помощью второй технологии секвенирования, производящей риды длиной примерно в 7000 оснований.
Ещё одна причина, по которой определение генетической последовательности Y-хромосомы так сложно — она состоит из необычайно высокого числа повторяющихся последовательностей, то есть, фрагментов, где цепочка оснований А, Т, Ц, и Г идентична или почти идентична на протяжении тысяч или миллионов оснований кряду. Многие из этих дупликаций, включая некоторые гены, выглядят как серия расположенных друг за другом повторяющихся последовательностей или как палиндромы, которые, как слово «топот», одинаково читаются в обоих направлениях. Чтобы определить число копий генов, которые содержатся в таких сериях, учёные использовали экспериментальную технику «цифровой капельной полимеразной цепной реакции».
«Мы разработали процедуру секвенирования Y-хромосом, которая более эффективна, чем предыдущие методы и избавлена от некоторых сложностей, присущих определению генетической последовательности Y-хромосом. Наш метод откроет возможность исследования Y-хромосом большему количеству лабораторий, позволит изучать больше видов животных и большее число особей этих видов», — объясняет Макова.
