Verschwinden die männlichen Gene? Neue Forschungsergebnisse enthüllen die genetischen Geheimnisse der menschlichen Y-Chromosomen ...

Das Y-Chromosom ist die wahre Wurzel des Mannes, denn es trägt die Gene, die die männlichen Merkmale bestimmen und zur Produktion von Spermien dienen.

Das Y-Chromosom ist klein und sieht sehr seltsam aus. Es enthält nur sehr wenige Gene und ist voller umgekehrter und repetitiver DNA-Fragmente, was die Sequenzierung sehr schwierig macht – die umfassende Sequenzierung des Y-Chromosoms galt einst als unmögliche Aufgabe.

Doch erst kürzlich konnte mit der neuesten „Long-Read“-Sequenzierungstechnologie endlich die komplette genetische Information des gesamten Y-Chromosoms freigelegt werden, und es gelang, Dutzende von Y-Chromosomen von Männern aus aller Welt umfassend und zuverlässig zu sequenzieren.

Diese schwierige, bahnbrechende Arbeit wurde im August dieses Jahres in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Kollegen sagen, dass es uns dabei helfen wird, die Wirkungsmechanismen von Geschlechts- und Spermiengenen zu erforschen, die Evolution des Y-Chromosoms zu verstehen und zu analysieren, ob es wie vorhergesagt innerhalb weniger Millionen Jahre verschwinden wird.

SRY begleitet Männer beim Erwachsenwerden

Seit etwa sechzig Jahren ist bekannt, dass bei Menschen und anderen Säugetieren ein bestimmtes Chromosom das Geschlecht bei der Geburt bestimmt. Frauen haben ein Paar X-Chromosomen, während Männer ein X-Chromosom und ein viel kleineres Y-Chromosom haben.

Das Y-Chromosom bestimmt das männliche Geschlecht, da es ein Gen namens SRY trägt, das die innere Zellkante des Embryos anweist, sich zu Hoden zu entwickeln. Die Hoden des Embryos produzieren männliche Hormone, die die Entwicklung männlicher Merkmale beim männlichen Neugeborenen steuern.

XX-Embryonen fehlen das Y-Chromosom und das SRY-Gen, sodass sich aus demselben Zellkamm der Eierstock entwickelt. Östrogen führt dann zur Entwicklung weiblicher Merkmale beim Baby.

Ist das Y-Chromosom eine DNA-Müllhalde?

Wie bereits erwähnt, ist das Y-Chromosom im Vergleich zum X-Chromosom und den anderen 22 Autosomen ziemlich einzigartig. Es ist sehr klein und trägt nur sehr wenige Gene – nur 27 Gene im Vergleich zu den etwa 1.000 Genen auf dem X-Chromosom.

Zu den Genen des Y-Chromosoms gehören SRY, eine Handvoll Gene, die die Spermienproduktion steuern, und eine Reihe von Genen, die für das Leben unentbehrlich zu sein scheinen – viele davon haben Gegenstücke auf dem X-Chromosom.

Viele Y-transgene Gene, darunter die Spermiengene RBMY und DAZ, existieren in mehreren Kopien. Darüber hinaus kommt es, wie oben erwähnt, häufig zu Inversionen und Deletionen der DNA-Sequenz.

Das Y-Chromosom weist außerdem viele DNA-Sequenzen auf, die offenbar nichts mit den biologischen Merkmalen zu tun haben. Diese „Junk-DNA“ besteht aus hochrepetitiven Sequenzen, die aus Fragmenten alter Viren, toten Genen und einfachen Basenwiederholungen stammen.

Große, sich wiederholende Basensequenzen machen einen Großteil des Y-Chromosoms aus. Sie können an fluoreszierende Farbstoffe binden, sodass Sie sie unter dem Mikroskop sehen können.

Y ist komisch

Warum ist das Y-Chromosom so einzigartig? Die Geschichte beginnt mit der Evolution.

Es gibt überwältigende Beweise dafür, dass X und Y vor 150 Millionen Jahren bloß ein Paar gewöhnlicher Chromosomen waren (wie sie es bei Vögeln und Schnabeltieren noch immer sind), die nicht voneinander zu unterscheiden waren und von jedem Elternteil bereitgestellt wurden – genau wie die Autosomen.

Später entwickelten sich die SRY-Gene auf diesem Chromosomenpaar und definierten ein neues primitives Y-Chromosom (Proto-Y). Dieses ursprüngliche Y-Chromosom ist per Definition für immer auf die Hoden beschränkt und unterliegt aufgrund zahlreicher Zellteilungen und sehr geringer Reparatur einer Reihe von Mutationen.

Das ursprüngliche Y-Gen ging rapide zurück, wobei alle Millionen Jahre etwa 10 aktive Gene verloren gingen, von 1.000 auf heute nur noch 27. Eine kleine „pseudoautosomale“ Region an einem Ende des Chromosoms ist in ihrer ursprünglichen Form erhalten geblieben und mit dem X-Chromosom identisch.

Es wird viel darüber diskutiert, ob dieser Rückgang anhalten wird, da bei dieser Geschwindigkeit die Y-Transfektion bei allen Menschen innerhalb weniger Millionen Jahre verschwinden würde (wie dies bei Nagetieren bereits geschehen ist).

Technologische Verbesserungen ermöglichen Durchbrüche in der Sequenzierung

Der erste Entwurf des menschlichen Genoms wurde 1999 fertiggestellt. Seitdem ist es Wissenschaftlern gelungen, alle Autosomen sowie das X-Chromosom (mit nur wenigen fehlenden Chromosomen) zu sequenzieren.

Dazu verwendeten sie eine Technik namens „Short-Read-Sequenzierung“, bei der die DNA in kleine Fragmente von etwa hundert Basen zerlegt und dann wie ein Puzzle wieder zusammengesetzt wird. .

Das Y-Chromosom ist viel kleiner als das X-Chromosom

Natürlich ist es erst seit kurzem möglich, mithilfe neuer Technologien die Basen entlang eines einzigen langen DNA-Moleküls zu sequenzieren und so lange Reads mit Tausenden von Basen zu erhalten. Diese längeren Lesevorgänge sind leichter zu unterscheiden und daher leichter zusammenzustellen. Dadurch konnten die Wissenschaftler die rätselhaften Wiederholungen und Schleifen auf dem Y-Chromosom entschlüsseln.

Y-Farbstoffänderungen

Im März dieses Jahres berichteten Adam Phillippy, ein Bioinformatiker am National Human Genome Research Institute, und das Telomere to Telomere Consortium (T2T) über die vollständige Sequenzierung des menschlichen Genoms mit Ausnahme des Y-Chromosoms. Damals erklärte die T2T Alliance in den sozialen Medien, sie habe die Y-Transfektionssequenz gemeistert.

Wie sie nun in einem neuen Artikel in Nature berichten, ist die komplexe Anordnung der 62 Millionen Basen des Y-Chromosoms vollständig entschlüsselt und damit 30 Millionen Basen an Informationen ersetzt worden, die bei einigen früheren Sequenzierungsversuchen fehlten.

Philip und andere veröffentlichten nicht nur einen Artikel in Nature, sondern gleichzeitig auch eine weitere Arbeit, in der 43 Y-Chromosomen von Männern aus 21 verschiedenen Gruppen auf der ganzen Welt sequenziert wurden, um die genetische Variation des Menschen zu untersuchen.

Nach der Sequenzierung von 43 Y-Chromosomen stellte das Forschungsteam fest, dass es große genetische Unterschiede zwischen ihnen gab. Charles Lee, eines der Teammitglieder, sagte:

Ich war überrascht über die Unterschiede in der Kopienzahl einiger Gene auf dem Y-Chromosom. Beispielsweise besitzt das Y-Chromosom von Mann A 23 Kopien eines Gens namens TSPY, das vermutlich an der Spermienbildung beteiligt ist, während das Y-Chromosom von Mann B 39 Kopien von TSPY besitzt.

Darüber hinaus stellten sie Unterschiede in der Größe und Zusammensetzung der häufig wiederholten Regionen des Y-Chromosoms fest.

Die obige Abbildung zeigt, dass die Größe des Y-Chromosoms bei verschiedenen Individuen stark variiert.

Der Genetiker Mark Jobling (der nicht an der Arbeit beteiligt war) weist darauf hin, dass die Organisation und Erhaltung der DNA auf dem Y-Chromosom darauf schließen lassen, dass sie nicht bis zum Verschwinden degeneriert ist. „Diese Arbeit zeigt, dass der genetische Inhalt des Y-Chromosoms im Wesentlichen erhalten bleibt, was die Vorstellung, dass das Y-Chromosom noch immer degeneriert und zum Verschwinden bestimmt ist, völlig widerlegt.“

Es ist noch nicht klar, ob diese Varianten die männliche Fruchtbarkeit oder andere Merkmale beeinträchtigen. Doch das Wissen um ihre Existenz legt den Grundstein für unsere nachfolgende Forschung. Forscher können jetzt groß angelegte Studien durchführen, um Zusammenhänge zwischen Y-Chromosomvarianten und Gesundheitsproblemen wie Blasenkrebs aufzudecken, der mit dem Y-Chromosom in Verbindung steht.

Verweise

[1]Das „seltsame“ männliche Y-Chromosom wurde endlich vollständig sequenziert. Können wir jetzt verstehen, wie es funktioniert und wie es sich entwickelt hat?

Planung und Produktion

Quelle | Weltwissenschaft

Zusammengestellt von | BiPu-Stern

Herausgeber | Yang Yaping