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Evolução do cromossomo Y em grandes macacos decifrada
Uma equipe de biólogos e cientistas da computação da Penn State sequenciou e montou o cromossomo Y de orangotango e bonobo e comparou essas sequências com as sequências Y existentes de humanos, chimpanzés e gorilas.
Por Sam Sholtis - 06/10/2020


Os pesquisadores reconstruíram a sequência ancestral do cromossomo Y do grande macaco comparando três conjuntos de cromossomos Y existentes (gorila, humano e chimpanzé) e dois recém-gerados (orangotango e bonobo). A nova pesquisa mostra que muitas famílias de genes e sequências de múltiplas cópias já estavam presentes no ancestral comum do grande macaco Y e que as linhagens de chimpanzés e bonobos experimentaram morte gênica acelerada e taxas de substituição de nucleotídeos após sua divergência da linhagem humana. Crédito: Dani Zemba e Monika Cechova, Penn State

Uma nova análise da sequência de DNA dos cromossomos Y masculinos de todas as espécies vivas da família dos grandes macacos ajuda a esclarecer nossa compreensão de como esse cromossomo enigmático evoluiu. Uma imagem mais clara da evolução do cromossomo Y é importante para estudar a fertilidade masculina em humanos, bem como nossa compreensão dos padrões de reprodução e a capacidade de rastrear linhagens masculinas nos grandes macacos, o que pode ajudar nos esforços de conservação dessas espécies ameaçadas de extinção.

Uma equipe de biólogos e cientistas da computação da Penn State sequenciou e montou o cromossomo Y de orangotango e bonobo e comparou essas sequências com as sequências Y existentes de humanos, chimpanzés e gorilas. A partir da comparação, a equipe conseguiu esclarecer os padrões de evolução que parecem se adequar às diferenças comportamentais entre as espécies e reconstruir um modelo de como o cromossomo Y poderia ter se parecido no ancestral de todos os grandes macacos.

Um artigo descrevendo a pesquisa aparece em 5 de outubro de 2020 na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

"O cromossomo Y é importante para a fertilidade masculina e contém os genes essenciais para a produção de esperma, mas muitas vezes é negligenciado nos estudos genômicos porque é muito difícil de sequenciar e montar", disse Monika Cechova, uma estudante graduada da Penn State na época da pesquisa e co-primeiro autor do artigo. "O cromossomo Y contém muitas sequências repetitivas, que são um desafio para o sequenciamento de DNA, montagem de sequências e alinhamento de sequências para comparação. Não há pacotes de software prontos para usar para lidar com o cromossomo Y, então tínhamos para superar esses obstáculos e otimizar nossos protocolos experimentais e computacionais, o que nos permitiu abordar questões biológicas interessantes. "

O cromossomo Y é incomum. Ele contém relativamente poucos genes, muitos dos quais estão envolvidos na determinação do sexo masculino e produção de esperma ; grandes seções de DNA repetitivo, sequências curtas repetidas continuamente; e grandes palíndromos de DNA, repetições invertidas que podem ter muitos milhares de letras e serem lidas da mesma forma para a frente e para trás.

"Trabalhar no cromossomo Y apresenta muitos desafios", disse Paul Medvedev, professor associado de ciência da computação e engenharia e de bioquímica e biologia molecular da Penn State e outro líder da equipe de pesquisa. "Tivemos que desenvolver métodos especializados e análises computacionais para dar conta da natureza altamente repetitiva da sequência do Y. Este projeto é verdadeiramente interdisciplinar e não poderia ter acontecido sem a combinação de cientistas computacionais e biológicos que temos em nossa equipe . "


Trabalhos anteriores da equipe comparando sequências de humanos, chimpanzés e gorilas revelaram alguns padrões inesperados. Os humanos são mais parentes dos chimpanzés, mas, para algumas características, o Y humano era mais semelhante ao gorila Y.

"Se você apenas comparar a identidade da sequência - comparando as As, Ts, Cs e Gs dos cromossomos - os humanos são mais semelhantes aos chimpanzés, como seria de se esperar", disse Kateryna Makova, professora de Biologia da Pentz na Penn State e uma das os líderes da equipe de pesquisa. “Mas se você olhar quais genes estão presentes, os tipos de sequências repetitivas e os palíndromos compartilhados, os humanos parecem mais com gorilas. Precisávamos do cromossomo Y de mais espécies de macacos grandes para descobrir os detalhes do que estava acontecendo. "
 
A equipe, portanto, sequenciou o cromossomo Y de um bonobo, um parente próximo do chimpanzé, e de um orangotango, um grande macaco parente mais distante. Com essas novas sequências, os pesquisadores puderam ver que o bonobo e o chimpanzé compartilhavam o padrão incomum de taxas aceleradas de mudança na sequência de DNA e perda de genes, sugerindo que esse padrão surgiu antes da divisão evolutiva entre as duas espécies. O cromossomo Y do orangotango, por outro lado, que serve como um grupo externo para fundamentar as comparações, parecia o que você esperava com base em sua relação conhecida com os outros grandes macacos.

"Nossa hipótese é que a mudança acelerada que vemos em chimpanzés e bonobos pode estar relacionada a seus hábitos de acasalamento", disse Rahulsimham Vegesna, estudante de graduação na Penn State e co-autor do artigo. "Em chimpanzés e bonobos, uma fêmea acasala com vários machos durante um único ciclo. Isso leva ao que chamamos de 'competição de esperma', o esperma de vários machos tentando fertilizar um único óvulo. Acreditamos que esta situação pode fornecer a pressão evolutiva para acelerar a mudança no cromossomo Y do chimpanzé e do bonobo, em comparação com outros macacos com diferentes padrões de acasalamento, mas essa hipótese, embora consistente com nossos achados, precisa ser avaliada em estudos subsequentes. "

Além de revelar alguns dos detalhes de como o cromossomo Y evoluiu em espécies individuais, a equipe usou o conjunto de sequências de grandes macacos para reconstruir como o cromossomo Y poderia ter se parecido no ancestral dos grandes macacos modernos.

"Ter o cromossomo Y do grande macaco ancestral nos ajuda a entender como o cromossomo evoluiu", disse Vegesna. "Por exemplo, podemos ver que muitas das regiões repetitivas e palíndromos no Y já estavam presentes no cromossomo ancestral. Isso, por sua vez, argumenta a importância dessas características para o cromossomo Y em todos os grandes macacos e nos permite explorar como eles evoluíram em cada uma das espécies separadas. "

O cromossomo Y também é incomum porque, ao contrário da maioria dos cromossomos, ele não tem um parceiro compatível. Cada um de nós recebe duas cópias dos cromossomos de 1 a 22 e, em seguida, alguns de nós (mulheres) recebem dois cromossomos X e alguns de nós (homens) recebem um X e um Y. Os cromossomos parceiros podem trocar seções em um processo chamado 'recombinação' o que é importante para preservar os cromossomos evolutivamente. Como o Y não tem um parceiro, havia a hipótese de que as longas sequências palindrômicas no Y poderiam ser capazes de se recombinar com elas mesmas e, portanto, ainda ser capazes de preservar seus genes, mas o mecanismo não era conhecido.

"Usamos os dados de uma técnica chamada Hi-C, que captura a organização tridimensional do cromossomo, para tentar ver como essa 'auto-recombinação' é facilitada", disse Cechova. "O que descobrimos foi que as regiões do cromossomo que se recombinam entre si são mantidas próximas umas das outras espacialmente pela estrutura do cromossomo."

"Trabalhar no cromossomo Y apresenta muitos desafios", disse Paul Medvedev, professor associado de ciência da computação e engenharia e de bioquímica e biologia molecular da Penn State e outro líder da equipe de pesquisa. "Tivemos que desenvolver métodos especializados e análises computacionais para dar conta da natureza altamente repetitiva da sequência do Y. Este projeto é verdadeiramente interdisciplinar e não poderia ter acontecido sem a combinação de cientistas computacionais e biológicos que temos em nossa equipe . "

 

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