¿Cómo se conforman los cromosomas Y y X?

Cromosomas sexuales: por qué importan los genes Y

Varios genes se han perdido por el cromosoma Y en humanos y otros mamíferos, según una investigación publicada en la revista de acceso abierto Genome Biology. El estudio muestra que los genes Y esenciales son rescatados al trasladarse a otros cromosomas, e identifica un factor genético potencialmente importante en la infertilidad masculina.

El cromosoma Y es dramáticamente más pequeño que el cromosoma X y ya ha perdido casi todos los 640 genes que una vez compartió con el cromosoma X.

Un ejemplo extremo de genes que desaparecen del cromosoma Y se puede encontrar en la rata espinosa Ryukyu, que es indígena de una sola isla en Japón. En esta especie, el cromosoma Y ha desaparecido por completo, con muchos genes vinculados a la Y que se mueven al cromosoma X o a los cromosomas no sexuales (autosomas). Hasta ahora, se pensaba que se trataba de una peculiaridad encontrada en una especie aislada, pero nuevos datos sugieren que el fenómeno de los genes que pasan de los cromosomas sexuales a los automóviles está muy extendido entre los mamíferos, incluidos los humanos.

La autora principal Jennifer Hughes, del Instituto Whitehead, ESTADOS UNIDOS, dijo: "Los genes que han sobrevivido en el cromosoma Y son extraordinariamente de larga duración y probablemente cumplen importantes funciones biológicas. Sin embargo, hay numerosas excepciones donde se han perdido genes aparentemente críticos por el cromosoma Y en ciertos mamíferos. En muchos casos, estos genes no fueron eliminados, pero han encontrado nuevos hogares en el genoma.

"Ahora hemos revelado cuatro genes que se han perdido del cromosoma Y y rescatados al pasar a otros cromosomas. Por primera vez, demostramos que esto ha ocurrido en los seres humanos, así como en una amplia gama de otros mamíferos. Estos genes reubicados han estado alrededor del genoma porque son indispensables para el desarrollo normal".

El equipo estudió los genomas de humanos, simios, roedores, ganado y marsupiales, buscando evidencia de genes que se han trasladado de los cromosomas sexuales a los autosomas. Mediante el uso de registros evolutivos de divergencias de especies, construyeron árboles genealógicos que mostraban cómo ciertos genes se habían movido entre cromosomas con el tiempo.

Los cuatro genes que se identificaron como que se habían movido del cromosoma Y desempeñan papeles clave en la síntesis y degradación de proteínas dentro de las células de mamíferos. El equipo encontró ocho casos separados en diferentes especies donde estos genes pasaron de cromosomas sexuales a autosomas.

Copias del gen EIF2S3 se encuentran en los cromosomas X e Y de roedores, y la copia Y es un jugador crucial en los primeros pasos de la producción de espermatozoides. En los seres humanos, se encontró que este gen faltaba en el cromosoma Y, pero dos copias todavía estaban presentes en el genoma: una en el cromosoma X y otra en un autosoma.

Esto sugiere que, tras la pérdida del gen del cromosoma Y humano, el cromosoma X 'respaldó' una copia de su gen EIF2S3 en un autosoma, lo que indica la importancia de este gen. En los seres humanos, la copia autosómica del gen mostró una mayor actividad en los testículos en comparación con otros tejidos, lo que sugiere un papel esencial en la producción de espermatozoides, y un posible factor genético en la infertilidad masculina.

Jennifer Hughes añade: "Esta investigación añade nuevas complejidades a nuestra comprensión del papel de los cromosomassexuales, genes y características específicas del sexo, que merecen una investigación adicional".

Con el fin de obtener un estudio más amplio del impacto que el rescate de genes saltando de la pérdida de genes Y ha tenido en la evolución del genoma, se necesitarán secuencias cromosómicas sexuales de alta calidad de más especies.

Los investigadores han reconstruido la secuencia ancestral del gran cromosoma Y de simio comparando tres conjuntos cromosómicos Y existentes (gorilas, humanos y chimpancés) y dos conjuntos cromosómicos Y recién generados (orangután y bonobo). La nueva investigación muestra que muchas familias de genes y secuencias multi-copia ya estaban presentes en el gran ancestro común de los simios Y y que los linajes de chimpancé y bonobo experimentaron tasas aceleradas de muerte genética y sustitución de nucleótidos después de su divergencia del linaje humano. Crédito: Dani Zemba y Monika Cechova, Penn State

Un nuevo análisis de la secuencia de ADN de los cromosomas Y específicos de los machos de todas las especies vivas de la gran familia de 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 los seres humanos, así como nuestra comprensión de los patrones de reproducción y la capacidad de rastrear 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 a partir de orangutanes y bonobo y compararon esas secuencias con las secuencias humanas, chimpancés y gorilas Y existentes. A partir de la comparación, el equipo fue capaz de aclarar patrones de evolución que parecen encajar con las diferencias de comportamiento entre la especie y reconstruir un modelo de cómo podría haber sido el cromosoma Y en el ancestro 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.

"El cromosoma Y es importante para la fertilidad masculina y contiene los genes críticos para la producción de espermatozoides, pero a menudo se descuida en estudios genómicos porque es muy difícil secuenciar y ensamblar", dijo Monika Cechova, una estudiante de posgrado en Penn State en el momento de la investigación y coautora del artículo. "El cromosoma Y contiene una gran cantidad de secuencias repetitivas, que son desafiantes para la secuenciación de ADN, el montaje de secuencias y la alineación de secuencias para la comparación. No hay paquetes de software desenroscados para lidiar con el cromosoma Y, así que tuvimos que superar estos obstáculos y optimizar nuestros protocolos experimentales y computacionales, lo que nos permitió abordar preguntas biológicas interesantes".

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 espermatozoides; grandes secciones de ADN repetitivo, secuencias cortas repetidas una y otra vez; y grandes palindromeos de ADN, repeticiones invertidas que pueden ser muchos miles de letras de largo y leer los mismos hacia adelante y hacia atrás.

El trabajo previo del equipo comparando secuencias humanas, de 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 gorila Y.

"Si comparas la identidad de la secuencia —comparando los As,Ts, Cs y Gs de los cromosomas—,los humanos son más similares a los chimpancés, como cabría esperar", dijo Kateryna Makova, profesora de Biología de Pentz en Penn State y una de las líderes del equipo de investigación. "Pero si nos fijamos en qué genes están presentes, los tipos de secuencias repetitivas y los palindromos compartidos, los humanos se parecen más a los gorilas. Necesitábamos el cromosoma Y de más grandes especies de simios para burlarnos de los detalles de lo que estaba pasando".

El equipo, por lo tanto, secuenciaba el cromosoma Y de un bonobo, un pariente cercano del chimpancé, y un orangután, un gran simio más distantemente relacionado. 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 orangután, por otro lado, que sirve como un grupo para fundacional las comparaciones, se parecía a lo que se espera basado en 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", dijo Rahulsimham Vegesna, un estudiante graduado en Penn State y coautor del artículo. "En chimpancés y bonobos, una hembra se aparea con varios machos durante un solo ciclo. Esto conduce a lo que llamamos "competencia de espermatozoides", los espermatozoides 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 chimpancé y bonobo Y, en comparación con otros simios con diferentes patrones de acoplamiento, pero esta hipótesis, si bien es consistente con nuestros hallazgos, debe evaluarse en estudios posteriores".

Además de burlarse de algunos de los detalles de cómo evolucionó el cromosoma Y en especies individuales, el equipo utilizó el conjunto de grandes secuencias de simios para reconstruir cómo podría haber sido el cromosoma Y en el ancestro de los grandes simios modernos.

"Tener el gran cromosoma Y de gran simio ancestral nos ayuda a entender cómo evolucionó el cromosoma", dijo Vegesna. "Por ejemplo, podemos ver que muchas de las regiones repetitivas y los palindromos en la 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 coincidente. Cada uno de nosotros obtiene dos copias de cromosomas 1 a 22, y luego algunos de nosotros (hembras) obtenemos dos cromosomas X y algunos de nosotros (machos) obtenemos una X y otra 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 hipotetizado que las largas secuencias palindrómicas en la Y podrían ser capaces de recombinarse consigo mismos y por lo tanto todavía ser capaces de preservar sus genes, pero el mecanismo no se conocía.

"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 cerca unas de otras espacialmente por la estructura del cromosoma."

"Trabajar en el cromosoma Y presenta muchos desafíos", dijo Paul Medvedev, profesor asociado de ciencias de la computación 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 de la Y. Este proyecto es verdaderamente multidisciplinario y no podría haber ocurrido sin la combinación de científicos computacionales y biológicos que tenemos en nuestro equipo".