新的X 和Y 染色體端對端序列發現了Y 染色體上的巨大變異，為人類進化和疾病以及瀕危類人猿的保育遺傳學提供了資訊。一個合作研究小組為幾種大型類人猿和小型類人猿的性染色體生成了完整的參考基因組，揭示了快速的進化變化，尤其是Y 染色體的變化。這些發現為未來研究猿類的繁殖、生育能力和性別特異性遺傳特徵奠定了基礎，有助於加深對靈長類進化和相關人類疾病的了解。

猿類性染色體研究

來自賓州州立大學、美國國家人類基因組研究所和華盛頓大學的國際研究小組為五個類人猿物種和一個較小類人猿物種的性染色體製作了完整的”端對端”參考基因組。他們的研究揭示了雄性特異性Y 染色體的快速演化變化。這些發現加深了我們對性染色體演化的理解，有助於我們了解影響類人猿和人類的遺傳疾病。

類人猿中Y 和X 染色體的重要性

「Y染色體對人類的生育能力非常重要，而X染色體則蘊藏著對生殖、認知和免疫至關重要的基因，」賓州州立大學生命科學維恩-威拉曼講座教授、生物學教授兼研究小組組長卡捷琳娜-馬科娃（Kateryna Makova）說。 “我們的研究為今後研究性染色體、它們如何進化以及與之相關的疾病打開了大門。我們研究的非人類巨猿物種都瀕臨滅絕。獲得它們完整的性染色體序列將有助於研究它們在野外的性別特異性散佈及其對繁殖和生育的重要基因”。

由賓州州立大學和美國國家人類基因組研究所的研究人員領導的一項國際合作新生成了六個靈長類物種的性染色體的完整基因組，揭示了類人猿Y染色體的快速進化。這些結果可以為保護這些瀕危物種提供信息，並揭示人類和我們近親中與性有關的遺傳疾病。圖片來源：設計：鮑伯-哈里斯；攝影：聖地牙哥動物園和塔爾薩動物園

從Y 染色體變異性看演化的啟示

這種參考基因組是一個具有代表性的例子，有助於今後對這些物種的研究。研究團隊發現，與X 染色體相比，Y 染色體在不同猿類物種之間的差異很大，而且含有許多物種特有的序列。然而，它仍然受到純化自然選擇的影響–這種進化力量透過清除有害突變來保護其遺傳訊息。這項新研究最近發表在《自然》雜誌。

基因組定序的技術進步

馬科瓦說：”2001年，研究人員對人類基因組進行了測序，但實際上並不完整。當時可用的技術意味著某些空白沒有被填補，直到2022-23年由端粒到端粒（ Telomere-to-Telomere，簡稱T2T）聯盟領導的一項新的努力。

類人猿的比較基因體學

研究小組為五類人猿–黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩、婆羅洲猩猩和蘇門答臘猩猩–以及一種較小的類人猿–暹羅猿–製作了完整的性染色體序列。他們為每個物種的一個個體產生了序列。產生的參考基因組可作為基因和其他染色體區域的圖譜，幫助研究人員對該物種其他個體的基因組進行定序和組裝。這些物種先前的性染色體序列並不完整，或婆羅洲猩猩和暹羅猩猩的性染色體序列不存在。

該研究的共同第一作者、賓州州立大學博士後研究員Karol Pál 說：”Y 染色體的測序一直是個挑戰，因為它包含許多重複性區域，而且由於傳統的短線程測序技術是在短時間內對序列進行解碼，因此很難將得到的片段按照正確的順序排列。 ）研究小組合作，結合計算分析的進步，使我們能夠完全解決以前難以測序和組裝的重複區域。和Y 染色體的T2T 序列的差異，我們了解到了有關它們進化的許多新情況。

Y 染色體的高變異性

賓州州立大學醫學基因組學中心主任馬科瓦說：”性染色體開始時與其他任何一對染色體一樣，但Y 染色體由於在其大部分長度上不與其他染色體交換遺傳信息，因此在積累許多缺失、其他突變和重複元素方面一直獨樹一格。

因此，研究小組發現，在六個猿類物種中，Y 染色體在包括大小在內的各種特徵上的變化比X 染色體大得多。在研究的猿類中，X 染色體的大小從黑猩猩和人類的1.54 億個ACTG 字母（代表組成DNA的核苷酸）到大猩猩的1.78 億個字母不等。相較之下，Y染色體的大小從暹羅猩猩的3000萬個DNA字母到蘇門答臘猩猩的6800萬個字母不等。

例如，人類和黑猩猩之間約有98% 的X 染色體是一致的，但它們之間只有約三分之一的Y 染色體是一致的。研究人員發現，部分原因是Y 染色體更有可能被重新排列或部分遺傳物質被複製。

此外，在Y 染色體上，重複序列所佔染色體的百分比變化很大。根據物種的不同，重複元素佔X 染色體的62% 到66%，而佔Y 染色體的71% 到85%。與人類基因組中的其他染色體相比，X 和Y 染色體上的這些百分比都更高。

Y 染色體生存策略

馬科瓦說：”我們發現猿猴的Y染色體正在縮小，積累了許多突變和重複，並丟失了基因。那麼，為什麼Y染色體沒有像以前的一些假說所說的那樣消失呢？我們與坦普爾大學的謝爾蓋-科薩科夫斯基-龐德等人合作發現，Y染色體上仍有許多基因在淨化選擇–一種保持基因序列完整的自然選擇–下進化。發生非常重要。

研究人員發現，Y 染色體上的許多基因似乎採取了兩種生存策略。第一種是利用基因冗餘–染色體上存在同一基因的多個拷貝–這樣基因的完整拷貝就能補償可能發生突變的拷貝。研究小組首次完成了猿類性染色體上多重拷貝基因家族的圖譜，從而量化了這種基因冗餘。

第二種生存策略是利用回文，即DNA 字母表中的字母序列後跟有相同但倒置的序列，例如ACTG-GTCA。當基因位於回文染色體內時，就能從回文染色體矯正突變的能力中獲益。

帕爾說：『我們發現，Y染色體可以在兩個回文染色體臂的重複序列之間與自身交換遺傳訊息。當同一基因的兩個拷貝位於回文染色體內，其中一個拷貝發生突變時，可以透過與另一個拷貝進行基因交換來挽救突變。

研究團隊也首次獲得了猿類性染色體上回文染色體的完整序列，因為以前很難對它們進行定序和研究。他們發現，猿猴Y 染色體上的回文染色體特別多且特別長，但它們通常只在近親物種之間共享。

猿類基因體研究的進展

研究人員還與約翰-霍普金斯大學的邁克爾-沙茨及其團隊合作，對129 隻大猩猩和黑猩猩的性染色體進行了研究，以更好地了解每個物種內部的遺傳變異，並尋找天擇和其他演化力量作用於它們的證據。

賓州州立大學生物學助理教授、論文作者之一Zachary Szpiech 說：”透過將大猩猩和黑猩猩的性染色體測序讀數與我們的新參考序列進行比對，我們從之前研究過的大猩猩和黑猩猩個體中獲得了大量新資訊。限度地利用現有資料是至關重要的。

研究人員探索了能夠解釋大猩猩內部和黑猩猩內部Y 染色體變異的各種因素，這項分析揭示了Y 染色體上淨化選擇的額外特徵。

對未來研究和保育工作的影響

賓州州立大學生物學助理教授克里斯蒂安-胡貝爾（Christian Huber）是這篇論文的作者之一，他說：「我們將生物資訊技術和演化分析有力地結合在一起，使我們能夠更好地解釋我們的近親類人猿性染色體的進化過程。“

編譯來源：ScitechDaily