Las secuencias completas de los cromosomas sexuales X e Y de seis especies de primates revelan su diversidad y permiten comprender mejor la evolución. 

Un equipo de investigadores financiado por los Institutos Nacionales de Salud de EE.UU. ha generado las primeras secuencias cromosómicas completas de primates no humanos. Publicadas en Nature, estas secuencias revelan una notable variación entre los cromosomas Y de distintas especies, lo que pone de manifiesto su rápida evolución, además de revelar regiones no estudiadas hasta ahora de los genomas de los grandes simios. Dado que estas especies de primates son los parientes vivos más cercanos a los humanos, las nuevas secuencias pueden aportar datos sobre la evolución humana.

Los investigadores se centraron en los cromosomas X e Y, que intervienen en el desarrollo sexual y la fertilidad, entre otras muchas funciones biológicas. Secuenciaron los cromosomas de cinco especies de grandes simios: chimpancé, bonobo, gorila y orangutanes de Borneo y Sumatra, así como de otra especie de primate emparentada más lejanamente con los humanos, el gibón siamang.

“Estas secuencias cromosómicas añaden una cantidad significativa de información nueva”, ha afirmado el doctor Brandon Pickett, investigador postdoctoral del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano (NHGRI), dependiente de los NIH, y autor del estudio. “Hasta ahora sólo estaba bastante completa la secuencia del genoma del chimpancé, pero incluso ésta presentaba grandes lagunas, sobre todo en regiones de ADN repetitivo”.

Analizando estas nuevas secuencias, los investigadores calcularon que entre el 62 y el 66% de los cromosomas X y entre el 75 y el 82% de los cromosomas Y están compuestos por secuencias de ADN repetitivo. Estas secuencias son mucho más difíciles de caracterizar para los científicos, y el estudio del ADN repetitivo sólo ha sido posible en los últimos años gracias a las nuevas tecnologías de secuenciación del ADN y a los métodos de análisis.

Diferente evolución de los cromosomas X e Y

Los investigadores compararon las secuencias de los cromosomas de los simios con las de los cromosomas X e Y humanos para comprender sus historias evolutivas. Al igual que los cromosomas X e Y humanos, los cromosomas Y de los grandes simios tienen muchos menos genes que los cromosomas X. Los investigadores también utilizaron un método computacional llamado alineamiento, que indica las regiones del cromosoma que han permanecido relativamente iguales a lo largo de la evolución, revelando los efectos de las distintas presiones evolutivas sobre diferentes partes del genoma.

Los investigadores descubrieron que más del 90% de las secuencias del cromosoma X de los simios coincidían con las del cromosoma X humano, lo que demuestra que los cromosomas X han permanecido relativamente inalterados a lo largo de millones de años de evolución. 

Sin embargo, sólo entre el 14% y el 27% de las secuencias del cromosoma Y de los simios coincidían con las del cromosoma Y humano.

“La magnitud de las diferencias entre los cromosomas Y de estas especies fue muy sorprendente”, ha señalado la doctora Kateryna Makova, profesora de la Universidad Estatal de Pensilvania y responsable del estudio. “Algunas de estas especies divergieron del linaje humano hace sólo siete millones de años, lo que no es mucho tiempo en términos de evolución. Esto demuestra que los cromosomas Y evolucionan muy rápido”.

Genes en regiones palindrómicas de los cromosomas sexuales en primates

Una diferencia notable entre los cromosomas Y de los primates es su longitud. Por ejemplo, el cromosoma Y del orangután de Sumatra es el doble de largo que el del gibón. Las variaciones en el número y los tipos de repeticiones de ADN explican algunas de las diferencias en la longitud de los cromosomas.

Un tipo de repetición se denomina palíndromo, una secuencia de ADN que contiene repeticiones de ADN invertidas. Los palíndromos de ADN son similares a los palíndromos lingüísticos como «radar» o «rotor», en los que las letras de la primera mitad de la palabra se repiten a la inversa en la segunda mitad de la palabra, de modo que la secuencia de las letras es la misma hacia delante y hacia atrás. Sin embargo, los palíndromos de ADN pueden tener más de cien mil letras.

Los investigadores descubrieron que los palíndromos de ADN de los cromosomas X e Y de los primates casi siempre contienen genes, que se repiten en muchas copias a lo largo del cromosoma. La mayoría de los genes de los genomas de primates sólo tienen dos copias, una en cada cromosoma de un par. Los investigadores sospechan que tener muchas copias en estos palíndromos ayuda a proteger los genes, sobre todo en el cromosoma Y. Dado que normalmente sólo hay un cromosoma Y por célula, si un gen del cromosoma Y resulta dañado, no hay otro cromosoma con una copia del gen que pueda utilizarse como molde para reparar el daño.

“Tener estos genes en palíndromos es como tener una copia de seguridad”, explica el Dr. Adam Phillippy, investigador principal del NHGRI y autor principal del estudio. “Sabemos que muchos de estos genes desempeñan funciones importantes, por lo que esperábamos ver los mismos genes en palíndromos en diferentes especies, pero no parece ser el caso”.

Los investigadores estudiaron varios grupos de genes contenidos en los palíndromos, muchos de los cuales desempeñan funciones en la producción de esperma y, por tanto, son importantes para la fertilidad. Aunque se encontraron palíndromos en todos los cromosomas Y de primates estudiados, las secuencias palindrómicas específicas y los genes contenidos en estos palíndromos eran a menudo distintos para cada especie.

“Es posible que haya aún más variaciones que todavía no estamos viendo”, indica el Dr. Phillippy. “En el cromosoma Y humano, algunos genes pueden variar en número entre individuos. Para cada una de estas otras especies de primates, sólo estamos observando un único individuo. Aún no sabemos cómo es el resto de la población ni qué otras variaciones podríamos encontrar”.

“Sin embargo, tenemos algunas ideas de trabajos anteriores de nuestro grupo que sugieren una amplia variación en el número de copias de genes del cromosoma Y en humanos y otros simios”, ha añadido la Dra. Makova.

Nuevas regiones repetitivas identificadas

Las secuencias cromosómicas de los grandes simios también resuelven las regiones de otro tipo de repetición denominada satélite de ADN, que es un gran tramo de secuencia repetida. Entre los cromosomas de los grandes simios, los investigadores identificaron varias secuencias satélite específicas de cada especie desconocidas hasta el momento.

Estas secuencias proporcionan información importante sobre los genomas de los grandes simios, ya que los satélites de ADN están presentes en todo el genoma. En concreto, se concentran cerca de los extremos de los cromosomas, llamados telómeros, y en otra región llamada centrómero, que ayuda a los cromosomas a organizarse durante la división celular. Las secuencias de los centrómeros de estas especies eran completamente desconocidas antes de este estudio y de otra investigación reciente llevada a cabo por muchos de los mismos investigadores.

“Disponer de estas secuencias satélite de grandes simios abre un nuevo territorio por explorar”, afirmó la Dra. Makova, “Y de forma similar a nuestros otros hallazgos sobre el cromosoma Y, podemos ver que el centrómero del cromosoma Y es altamente dinámico”.

La secuencia de los cromosomas sexuales de primates informa sobre la evolución 

Las secuencias cromosómicas pueden ayudar a los investigadores a estudiar la evolución de los grandes simios, incluidos los humanos. Los investigadores están trabajando en la actualidad para describir los genomas completos de estas especies de grandes simios, pero incluso por sí solas, las secuencias de los cromosomas X e Y ofrecen muchos datos, especialmente sobre las fuerzas evolutivas del cromosoma Y que contribuyen a su rápida evolución.

Uno de los factores es que normalmente sólo hay un cromosoma Y por célula, lo que provoca la acumulación de cambios en la secuencia de ADN. Otra fuerza evolutiva, según la Dra. Makova, es un fenómeno conocido como sesgo de mutación masculina. En comparación con la producción de óvulos, la de espermatozoides implica una mayor replicación del ADN. Con cada replicación, existe la posibilidad de que cambie la secuencia de ADN. Esto afecta a todos los cromosomas, pero tiene especial repercusión en el cromosoma Y.

Otro factor potencial es el pequeño tamaño de la población, que puede influir en el ritmo evolutivo. Estas especies de simios no sólo tienen poblaciones limitadas en estado salvaje, sino que los cromosomas Y sólo están presentes en la mitad de la población, lo que limita aún más el tamaño efectivo de la población de esta parte concreta del genoma.

“Es importante recordar que todas estas especies de grandes simios están en peligro de extinción”, afirma la Dra. Makova. “No sólo podemos aprender sobre la evolución humana a partir de estas secuencias, sino que podemos aplicar lo que sabemos sobre sus genomas y los genomas humanos para comprender mejor la biología y la reproducción de estas especies en peligro”.

Artículos científicos:

Makova, K.D., Pickett, B.D., Harris, R.S. et al. The complete sequence and comparative analysis of ape sex chromosomes. Nature. 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07473-2 

Logsdon, G.A., Rozanski, A.N., Ryabov, F. et al. The variation and evolution of complete human centromeres. Nature629, 136–145. 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07278-3

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