חוקרים רצפו את כרומוזומי ה-X וה-Y המלאים של כמה מיני קופי אדם, וחשפו שינויים אבולוציוניים משמעותיים, במיוחד בכרומוזום Y המתפתח במהירות. מחקר זה, המדגיש אזורים גנומיים יציבים ודינאמיים כאחד, מציע תובנות חדשות לגבי התפתחות הפרימטים והאנושות, כמו גם שימור המינים בסכנת הכחדה. קרדיט: twoday.co.il.com
השלם רצפי כרומוזומי X ו-Y משישה פרימטים שונים מִין מופו בהצלחה, חושפים מגוון עשיר בין המינים הללו ומספקים תובנות מעמיקות יותר לגבי התהליכים האבולוציוניים שלהם. מיפוי גנומי נרחב זה מדגיש את המאפיינים הייחודיים והמשותפים במינים אלה, ומציע הבנה ברורה יותר של המסלולים האבולוציוניים שלהם.
צוות מדענים במימון ה- המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) יצר את רצפי הכרומוזומים השלמים הראשונים מפרימטים לא אנושיים. פורסם היום (29 במאי) בכתב העת טֶבַע, רצפים אלה חושפים שונות יוצאת דופן בין כרומוזומי Y של מינים שונים, המראים התפתחות מהירה, בנוסף לחשיפת אזורים שלא נחקרו בעבר של גנום של קופי אדם. מכיוון שמיני הפרימטים הללו הם קרובי משפחה החיים הקרובים ביותר לבני אדם, הרצפים החדשים יכולים לספק תובנות לגבי האבולוציה האנושית.
החוקרים התמקדו בכרומוזומי X ו-Y, הממלאים תפקידים בהתפתחות המינית ובפוריות, בין תפקודים ביולוגיים רבים אחרים. הם רצפו כרומוזומים מחמישה מיני קופים גדולים, שימפנזה, בונובו, גורילה, ואורנגאוטן בורנאי וסומטרי, כמו גם מין פרימט נוסף שקשור רחוק יותר לבני אדם, סיאמנג גיבון.
"רצפי הכרומוזומים האלה מוסיפים כמות משמעותית של מידע חדש", אמר ברנדון פיקט, Ph.D., עמית בתר-דוקטורט במכון הלאומי לחקר הגנום האנושי (NHGRI), חלק מ-NIH, ומחבר המחקר. "רק רצף הגנום של השימפנזה היה שלם למדי לפני זה, אבל גם לזה עדיין היו פערים גדולים, במיוחד באזורים של חזרתיות DNA."
רצפים שלמים של כרומוזומי X ו-Y משישה מיני פרימטים חושפים מגוון מינים ותובנות לגבי האבולוציה. קרדיט: ארנסטו דל אגילה השלישי, המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי
התקדמות בניתוח DNA
בניתוח הרצפים החדשים הללו, העריכו החוקרים כי 62 עד 66% מכרומוזומי X ו-75 עד 82% מכרומוזומי Y מורכבים מרצפי DNA שחוזרים על עצמם. רצפים אלו מאתגרים הרבה יותר עבור מדענים לאפיין, וחקר ה-DNA החוזר הפך לאפשרי רק בשנים האחרונות בשל טכנולוגיות חדשות לרצף DNA ושיטות ניתוח.
החוקרים השוו את הרצפים של כרומוזומי הקופים לכרומוזומי X ו-Y האנושיים כדי להבין את ההיסטוריה האבולוציונית שלהם. בדומה ל-X ו-Y האנושיים, לכרומוזומי Y של קוף הגדול יש הרבה פחות גנים בהשוואה לכרומוזומי X. החוקרים השתמשו גם בשיטה חישובית הנקראת יישור, המציינת אזורים בכרומוזום שנשארו זהים יחסית במהלך האבולוציה, וחושפת את ההשפעות של לחצים אבולוציוניים שונים על חלקים שונים של הגנום.
החוקרים גילו שלמעלה מ-90% מרצפי כרומוזום X של קוף התאימו לכרומוזום ה-X האנושי, מה שמראה כי כרומוזומי ה-X נותרו ללא שינוי יחסית לאורך מיליוני שנות אבולוציה. עם זאת, רק 14% עד 27% מרצפי כרומוזום Y של קוף היו מיושרים לכרומוזום Y האנושי.
וריאציות מפתיעות בכרומוזומי Y
"מידת ההבדלים בין כרומוזומי ה-Y של המינים הללו הייתה מפתיעה מאוד", אמרה קתרינה מקובה, Ph.D., פרופסור באוניברסיטת פנסילבניה ומובילת המחקר. "חלק מהמינים הללו התפצלו מהשושלת האנושית רק לפני שבעה מיליון שנה, וזה לא הרבה זמן מבחינת אבולוציה. זה מראה שכרומוזומי Y מתפתחים מהר מאוד".
הבדל בולט בין כרומוזומי Y הפרימטים הוא אורכם. לדוגמה, כרומוזום Y מהאורנגאוטן הסומטרני ארוך פי שניים מכרומוזום Y של הגיבון. שונות במספר ובסוגי חזרות ה-DNA אחראית לחלק מההבדלים באורכי הכרומוזומים.
סוג אחד של חזרה נקרא פלינדרום, רצף DNA המכיל חזרות DNA הפוכות. פלינדרומים של DNA דומים לפלינדרום שפה כגון "מירוץ" או "קיאק", שבהם האותיות במחצית הראשונה של המילה חוזרות על פיה במחצית השנייה של המילה, כך שרצף האותיות זהה קדימה ורצף האותיות. אֲחוֹרָה. עם זאת, פלינדרום ה-DNA יכול להיות באורך של יותר ממאה אלף אותיות.
וריאציות גנים ייחודיות ומחקר עתידי
החוקרים גילו שהפלינדרום ה-DNA בכרומוזומי X ו-Y הפרימטים מכילים כמעט תמיד גנים, שחוזרים על עצמם בעותקים רבים לאורך הכרומוזום. לרוב הגנים בגנום הפרימטים יש רק שני עותקים, אחד על כל כרומוזום בזוג. חוקרים חושדים שקיימים עותקים רבים בפלינדרומים הללו עוזרים להגן על גנים, במיוחד על כרומוזום Y. מכיוון שבדרך כלל יש רק כרומוזום Y אחד לתא, אם גן בכרומוזום Y ניזוק, אין כרומוזום אחר עם עותק של הגן שיכול לשמש כתבנית לתיקון הנזק.
"להחזיק את הגנים האלה בפלינדרומים זה כמו לשמור עותק גיבוי", אמר אדם פיליפי, Ph.D., חוקר בכיר ב-NHGRI ומחבר בכיר של המחקר. "אנחנו יודעים שרבים מהגנים האלה מבצעים פונקציות חשובות, ולכן ציפינו לראות את אותם גנים בפלינדרומים על פני מינים שונים, אבל נראה שזה לא המקרה."
החוקרים חקרו מספר קבוצות של גנים הכלולים בפלינדרומים, שרבים מהם ממלאים תפקידים בייצור זרע ולכן חשובים לפוריות. בעוד פלינדרום נמצאו בכל כרומוזומי Y הפרימטים שנחקרו, רצפי הפלינדרום הספציפיים והגנים הכלולים בפלינדרומים אלו היו שונים לרוב לכל מין.
"ייתכן שיש עוד וריאציות שאנחנו עדיין לא רואים," אמר ד"ר פיליפי. "בכרומוזום Y האנושי, גנים מסוימים יכולים להשתנות במספרם בין אנשים. עבור כל אחד ממיני הפרימטים האחרים הללו, אנו מסתכלים רק על פרט בודד. אנחנו עדיין לא יודעים איך נראית שאר האוכלוסייה ואיזה וריאציות אחרות אנחנו עלולים למצוא".
"עם זאת, יש לנו כמה תובנות מעבודה קודמת של הקבוצה שלנו שמצביעות על שונות נרחבת במספר העותקים של גנים של כרומוזום Y בבני אדם ובקופים אחרים", הוסיף ד"ר מקובה.
רצפי הכרומוזומים של הקופים הגדולים פותרים גם את הרצפים של סוג אחר של חזרה הנקראת לוויין DNA, שהוא קטע גדול של רצף חוזר. בין כרומוזומי הקופים הגדולים, החוקרים זיהו כמה רצפי לוויינים לא ידועים עד כה, ספציפיים למין.
רצפים אלו מספקים תובנות חשובות לגבי גנומים של קופי אדם, שכן לווייני DNA נמצאים על פני הגנום. באופן ספציפי, הם מרוכזים ליד קצוות הכרומוזומים, הנקראים טלומרים, ובאזור אחר הנקרא צנטרומר, המסייע לכרומוזומים להתארגן במהלך חלוקת התא. רצפי הצנטרומרים של מינים אלה לא היו ידועים לחלוטין לפני מחקר זה ועוד מאמץ מחקר שנערך לאחרונה על ידי רבים מאותם חוקרים.
"לאחר שרצפי הלווינים האלה מקופים גדולים פותחים טריטוריה חדשה לחקור", אמר ד"ר מקובה, "ובדומה לממצאים האחרים שלנו לגבי כרומוזום Y, אנו יכולים לראות שהצנטרומר של כרומוזום Y הוא מאוד דינמי".
השלכות על שימור והבנת האבולוציה
רצפי כרומוזומים אלה יכולים לעזור לחוקרים לחקור את האבולוציה של קופי אדם, כולל בני אדם. החוקרים פועלים כעת לתאר את כל הגנום של מיני הקופים הגדולים הללו, אך אפילו לבדם, רצפי כרומוזומי X ו-Y מציעים תובנות רבות, במיוחד לגבי הכוחות האבולוציוניים על כרומוזום Y שתורמים לאבולוציה המהירה שלו.
גורם אחד הוא שבדרך כלל יש רק כרומוזום Y אחד לתא, מה שמוביל להצטברות שינויים ברצף ה-DNA. כוח אבולוציוני נוסף, אמר ד"ר מקובה, הוא תופעה המכונה הטיית מוטציה גברית. בהשוואה לייצור ביצית, ייצור זרע כרוך ביותר שכפול DNA. עם כל שכפול, יש סיכוי שרצף ה-DNA משתנה. זה משפיע על כל הכרומוזומים אבל משפיע במיוחד על כרומוזום Y.
גורם פוטנציאלי נוסף הוא גודל אוכלוסייה קטן, שיכול להשפיע על שיעורי האבולוציה. לא רק שלמיני הקופים הללו יש אוכלוסיות מוגבלות בטבע, אלא שכרומוזומי Y נמצאים רק במחצית מהאוכלוסיה, מה שמגביל עוד יותר את גודל האוכלוסייה האפקטיבי של חלק מסוים זה של הגנום.
"חשוב לזכור שמיני הקופים הגדולים הללו נמצאים כולם בסכנת הכחדה", אמר ד"ר מקובה. "לא רק שאנחנו יכולים ללמוד על האבולוציה האנושית מהרצפים האלה, אלא שאנחנו יכולים ליישם את מה שאנחנו יודעים על הגנום והגנום האנושי שלהם כדי להבין טוב יותר את הביולוגיה והרבייה של מינים בסכנת הכחדה."
