近日，来自美国卫生国家基因组研究所的研究团队利用人类端粒到端粒（T2T）组装的实验和计算方法，成功构建了五种大猩猩（倭黑猩猩、黑猩猩、西部低地大猩猩、婆罗洲猩猩和苏门答腊猩猩）及一种小猩猩（暹罗长臂猿）的X和Y染色体的完整组装，并揭示了它们进化的复杂性。与X染色体相比，类人猿Y染色体的大小差异较大，由于谱系特异性扩增区、回文、转座元件和卫星序列的积累，Y染色体具有低对齐性和高水平的结构重排。许多Y染色体基因在多拷贝家族中扩增，部分基因在净化选择下进化。因此，Y染色体表现出动态进化，而X染色体更为稳定。该研究结果发表在Nature上，文章题为“The complete sequence and comparative analysis of ape sex chromosomes”。
为了对类人猿性染色体进行比较分析，研究团队为大多数现存的大猩猩物种——倭黑猩猩、黑猩猩、西部低地大猩猩（以下简称大猩猩）、婆罗洲猩猩（以下简称B.猩猩）和苏门答腊猩猩（以下简称S.猩猩）构建了基因组组装。研究团队还组装了一个与人类关系更近的外群——代表长臂猿（小猿）的暹罗猴（图1）。
研究团队从雄性细胞系中分离出高分子量DNA，并将其用于高覆盖率的PacBio HiFi测序、超长纳米孔（UL-ONT）测序和Hi-C测序。样本之间的测序深度为54到109x（HiFi），28到73x（UL-ONT）和30到78x（Hi-C）。研究还获得了倭黑猩猩和大猩猩个体的亲本DNA，并用Illumina短读长测序技术对其进行51-71x深度的测序。
图 1：染色体的对齐和差异。
总之，该分析生成了长臂猿和婆罗洲猩猩的X和Y染色体的端粒到端粒（T2T）组装，此前这些物种没有相关组装数据；并为倭黑猩猩、黑猩猩、大猩猩和苏门答腊猩猩的X和Y染色体生成了T2T组装，此前这些物种仅有较低质量的组装数据（图2）。与之前的组装相比，新生成的序列占Y染色体总长度的24%-45%（8.6–30 Mb），占X染色体总长度的2.6%-16%（3.9–28 Mb）。T2T组装中新增的序列中含有高频率的能形成非典型（非B型）DNA结构的基序，这些基序是已知的测序难点。该研究结合测序技术弥补了这些区域的测序局限性。
图2：在组装中获得的序列、非B型DNA、基因、序列类别、回文和染色体内相似性
研究团队通过全面注释发现，Y染色体和X染色体长度的71–85%和62–66%分别由重复元件组成（图3），包括转座元件、卫星序列和简单或低复杂度区域，相比之下，人类T2T常染色体长度中只有53%是重复元件。在Y染色体上，重复元件主要由卫星序列和简单或低复杂度区域组成，且不同物种之间的分布差异很大，这显著地导致了Y染色体长度的变化。Y染色体祖先区域的转座元件含量（65.6%）显著高于Y染色体扩增区域（46.9%），这反映了Y染色体祖先区域缺乏重组，而Y染色体扩增区域发生频繁的染色体内重组。
研究发现了13个以前未知的复合重复序列、2个DXZ4重复序列的变异和33个卫星序列。以前未知的卫星序列在X和Y染色体上的平均长度分别为317 kb和61 kb。
图3：类人猿性染色体上的重复序列
鉴于DNA甲基化对重复元件和基因组组成的强烈影响，研究团队使用映射到这些T2T组合的长读长测序数据分析了猿类性染色体上的5-甲基胞嘧啶DNA甲基化模式，发现类人猿染色体甲基化快速进化。数据显示，Y染色体（不包括PARs）在远程窗口中表现出比X染色体更低的甲基化水平。在所有物种中，PAR1的DNA甲基化程度高于X染色体的其他部分，这可能是由于重组水平的差异，因为已知甲基化在重组率高的区域会增加。每个PAR2与X染色体其余部分之间的甲基化差异不显著。在黑猩猩、人类和婆罗洲猩猩的X染色体中，经过染色体内重组的扩增区域的甲基化水平明显高于祖先区域，但在其他物种的X染色体上，这两个区域之间没有显著差异，而在Y染色体上扩增区域的甲基化水平低于祖先区域。
分析发现，在所有成对物种中，Y染色体的序列对齐百分比低于X染色体（图1b）。只有14-27%的人类Y染色体被与其他类人猿Y染色体的比对所覆盖，多达93-98%的人类X染色体被与其他类人猿X染色体的比对所覆盖（图1b，c）。在密切相关的物种中也观察到相同的模式，只有60-87%的Y染色体排列在它们之间，但超过95%的X染色体排列在它们之间（图1c）。
通过分析同一物种的X和Y染色体之间的序列相似性，研究确定了PARs。所有物种都具有同源的2.2-2.5mb PAR1，但在人类和倭黑猩猩中发现了独立获得的PAR2序列。
在具有物种间变异的序列中，X染色体上83-86%的碱基和Y染色体上99%的碱基受大规模结构变异的影响，剩余碱基受单核苷酸变异的影响。Y染色体上的倒位较为丰富，与其回文结构相一致。Y染色体上的倒位和插入分别比X染色体上的倒位和插入长8倍和3倍，表明Y染色体上结构变异积累速度更快。最后，为了识别在人类谱系中可能具有功能意义的结构变异，该研究团队研究了与334个Y染色体特有结构变异和1,711个X染色体特有结构变异的基因重叠情况。在Y染色体上，该研究团队检测到先前报道的3.7 Mb X转移区的插入——这是从X染色体到Y染色体的人类特有复制，包括13个基因。除基因拷贝数变化外，人类特有的倒位影响了Y染色体上的11个基因（图4），人类特有的插入和缺失影响了X染色体上的23个基因。因此，结构变异是X染色体上的主要遗传变异类型之一，尤其是Y染色体上，并可能具有功能影响。
图4：Y 染色体上的基因进化。
论文原文：
Makova, K.D., Pickett, B.D., Harris, R.S. et al. The complete sequence and comparative analysis of ape sex chromosomes. Nature 630, 401–411 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07473-2
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