นักวิทยาศาสตร์เปิดเผยลำดับแรกของโครโมโซม Y ที่สมบูรณ์

นักวิทยาศาสตร์เปิดเผยลำดับแรกของโครโมโซม Y ที่สมบูรณ์

Time Stamp: 29 สิงหาคม 2023 10:00
โหนดต้นทาง: 2241734

หลังจากผ่านไปกว่าสองทศวรรษ ลำดับจีโนมของมนุษย์ก็เสร็จสมบูรณ์ในที่สุด

การรอคอย? โครโมโซม Y แม้ว่าจะมีขนาดเล็กกว่าโครโมโซมอีก 23 โครโมโซมมาก แต่ Y เป็นนักดัดตนทางพันธุกรรม ซึ่งมีโครงสร้างแปลกๆ หลายอันที่ยากจะแยกออกอย่างฉาวโฉ่ ไม่ใช่เพราะขาดความพยายาม เนื่องจากโครโมโซมเพศเป็นหนึ่งในสองโครโมโซม X ซึ่งเป็นโครโมโซมเพศอีกโครโมโซม Y จึงเป็นแหล่งรวมยีนที่จำเป็นสำหรับการผลิตสเปิร์มและการสืบพันธุ์ของมนุษย์

ขณะนี้ ทั้งสองทีมจากต่างประเทศได้ถอดรหัสรหัสพันธุกรรม Y อันลึกลับได้ในที่สุด เอกสารทั้งสองของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ใน ธรรมชาติ หนึ่งกระดาษจากกลุ่มบริษัท Telomere-to-Telomere (T2T) ใช้เทคโนโลยีการจัดลำดับทางพันธุกรรมที่ล้ำสมัยซึ่งสามารถอ่านคู่เบสได้มากกว่า 62 ล้านคู่ (คู่ของตัวอักษร DNA ของโครโมโซม Y ของมนุษย์) ในที่สุดก็ทำให้เกิดจีโนมมนุษย์อ้างอิงที่ ประกอบด้วยโครโมโซมทั้งหมด 24 โครโมโซม

แต่ผู้ชายหนึ่งคนแทบจะไม่สามารถแสดงถึงความหลากหลายของพันธุกรรมของสายพันธุ์เราได้ การศึกษาอื่น รวบรวมโครโมโซม Y จากบุคคลทางชีววิทยา 43 ตัวในห้าทวีป ซึ่งครอบคลุมเชื้อสาย Y ของมนุษย์ที่หยั่งรากลึกที่สุดส่วนใหญ่

ชุดข้อมูลที่รวบรวมขึ้นใหม่ “ให้มุมมองที่ครอบคลุมที่สุดเกี่ยวกับการแปรผันทางพันธุกรรม ตลอดระยะเวลากว่า 180,000 ปีของการวิวัฒนาการของโครโมโซม Y ของมนุษย์” ผู้เขียนกล่าว

แล้วทำไมเราถึงต้องสนใจ? ประการแรก นี่เป็นก้าวสำคัญในการถอดรหัสภูมิทัศน์ทางพันธุกรรมของเรา แม้ว่าจีโนมมนุษย์จะถูกจัดลำดับครั้งแรกเมื่อสองทศวรรษที่แล้ว แต่เกือบ 50 เปอร์เซ็นต์ของตัวอักษรทางพันธุกรรมของ Y ยังคงเข้าใจยาก เมื่อวิธีการเรียงลำดับและการวิเคราะห์ดีขึ้น เราก็มีแนวโน้มที่จะเติมเต็มช่องว่างมากขึ้น

อีกประการหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์มีทรัพยากรอันมีค่าสำหรับการวิเคราะห์วิวัฒนาการและพฤติกรรมของโครโมโซม Y เนื่องจากสิ่งแปลกในกลุ่มโครโมโซม ดูเหมือนว่าจะหดตัวลงนับพันปี ทำให้สารพันธุกรรมหลุดออกไป เช่น การทำความสะอาดสปริงที่รุนแรงเป็นพิเศษ เหตุใดสิ่งนี้จึงเกิดขึ้นและผลที่ตามมายังคงเป็นปริศนา นำไปสู่การคาดเดาว่า Y กำลังเสื่อมถอย

ความชัดเจนและความแปรผันของชุดข้อมูลใหม่นี้เป็นแนวทางสำหรับการวิจัยเพิ่มเติม นอกเหนือจากภาวะเจริญพันธุ์แล้ว โครโมโซม Y ยังเชื่อมโยงกับปัญหาสุขภาพหลายประการ เช่น มะเร็งกระเพาะปัสสาวะ

“เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ครึ่งหนึ่งของโครโมโซม Y ของมนุษย์หายไป [จากข้อมูลอ้างอิง]—พื้นที่ดาวเทียมที่ท้าทายและซับซ้อน” กล่าวว่า ดร. Monika Cechova จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ ซึ่งทำงานในลำดับ Y เต็มรูปแบบ “ย้อนกลับไปในตอนนั้นเราไม่รู้ด้วยซ้ำว่าจะสามารถจัดลำดับได้หรือไม่ มันน่างงมาก นี่เป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในสิ่งที่เป็นไปได้”

คู่มือผู้โบกรถสู่กาแล็กซีจีโนม

เมื่อนักวิทยาศาสตร์พูดถึงจีโนมมนุษย์ พวกเขามักจะหมายถึงจีโนมอ้างอิง สร้างขึ้นครั้งแรกเมื่อหลายสิบปีก่อน ร่างแรกได้รับชัยชนะ แต่เนื่องจากตัวอักษร DNA หายไปแปดเปอร์เซ็นต์ มันยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ

ชิ้นส่วนที่หายไปมีผลกระทบต่อการวินิจฉัยและการวิจัยเกี่ยวกับโรคที่น่าหนักใจที่สุดในยุคของเรา เช่น มะเร็ง โรคหัวใจ เบาหวาน โรคสมองเสื่อม และโรคทางสมองอื่นๆ นอกจากนี้ยังพลาดความสามารถของเราในการตรวจพบความผิดปกติที่หายากแต่ร้ายแรง และหันมาใช้เครื่องมือแก้ไขพันธุกรรมเพื่อรักษาพวกมัน

การเพิ่มขึ้นของการจัดลำดับและการวิเคราะห์ในวงกว้างทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถค้นหากลุ่มของยีนที่อาจเพิ่มโอกาสในการเกิดความผิดปกติบางอย่างได้ ซึ่งมักทำโดยการเปรียบเทียบจีโนมของผู้ป่วยกับจีโนมอ้างอิง ซึ่งเป็น “พจนานุกรม” ในปัจจุบันของตัวอักษร DNA ของเราที่เรียกว่า GRCh38 (ฉันรู้ติดหู)

ย้อนกลับไปในเดือนมีนาคม ดร.อดัม ฟิลลิปปี หัวหน้านักวิจัยของรายงานฉบับหนึ่ง การเผยแพร่ ลำดับจีโนมมนุษย์ที่สมบูรณ์ที่สุดจนถึงปัจจุบัน ยกเว้นโครโมโซม Y ลำดับมากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์แสดงด้วยช่องว่าง

Y เป็นปริศนาทางชีววิทยา เช่นเดียวกับโครโมโซมคู่อื่นๆ ซึ่งแต่ละคู่มีขนาดเท่ากัน Y จะมีขนาดเล็กกว่าคู่ X อย่างมีนัยสำคัญ เหตุผลในปัจจุบันคือ Y ค่อยๆ ลดขนาดลงเหลือหนึ่งในหกของขนาด X และมียีนเพียงครึ่งหนึ่งของยีนที่เหมือนกัน เหตุใดและเหตุการณ์นี้จึงเกิดขึ้นได้อย่างไรยังคงเป็นปริศนา แต่ Y ยังคงอัดแน่นไปด้วยการเจาะทางชีวภาพอันหนักหน่วงในบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก ซึ่งประกอบด้วยยีนที่กำหนดลักษณะทางชีววิทยาของตัวผู้และจำเป็นต่อการผลิตสเปิร์ม

การหดตัวเชิงวิวัฒนาการของ Y ทำให้นักวิจัยบางคนเริ่มทิ้งมันไปโดยสิ้นเชิงในระหว่างการหาลำดับจีโนม หากโครโมโซมมีสุสานของยีนที่ถูกกำหนดให้กลายพันธุ์จากการทำงานทางชีววิทยา ทำไมจะต้องกังวลด้วย?

แล้วมีอุปสรรคทางเทคโนโลยี “ตัว Y นั้นแปลกจริงๆ และน่าสนใจอย่างที่เราคิด” กล่าวว่า ดร.เจนนี่ เกรฟส์ จากมหาวิทยาลัยลาโทรบ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาทั้งสองเรื่อง

Y แตกต่างจากโครโมโซมอื่นๆ เนื่องจากมีลำดับพันธุกรรมที่แปลกประหลาด ตัวอย่างหนึ่ง: พาลินโดรม เช่น “ฉันเห็นรถหรือแมว?” ประโยคอ่านไปข้างหน้าและข้างหลังเหมือนกัน ในทำนองเดียวกัน ตัวอักษรทางพันธุกรรมของโครโมโซม Y สายหนึ่ง (A, T, C และ G) อ่านได้เหมือนกันทุกประการกับอีกสายหนึ่งที่กลับกันทุกประการ

เมื่อจัดลำดับจีโนม นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องปะติดปะต่อตัวอย่างสารพันธุกรรมเข้าด้วยกัน คนที่อ่านเหมือนกันทั้งสองทิศทางทำให้ยากต่อการปะติดปะต่อปริศนาจีโนม Y มีลักษณะซ้ำๆ กัน โดยมีส่วนขนาดใหญ่ที่ไหลกลับของตัวอักษร DNA สองสามตัวที่เหมือนกัน

ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ ทีมงานได้ใช้เทคนิคล่าสุดที่สามารถอ่านลำดับดีเอ็นเอที่ยาวขึ้นซึ่งครอบคลุมคู่เบสมากกว่าล้านคู่ และกลยุทธ์การประกอบด้วยคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง คล้ายกับการทำแผนที่ระบบรถไฟใต้ดินนครหลวง. โดยรวมแล้ว งานชิ้นนี้จับคู่ตัวอักษร DNA มากกว่า 62 ล้านตัวจากโครโมโซม Y

ทำไมล่ะ?

ในขณะเดียวกัน การทำงานร่วมกันครั้งที่สองได้นำความท้าทายในการจัดลำดับ Y ไปทั่วโลก ทีมงานนำโดยดร. ชาร์ลส ลี ผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการเวชศาสตร์จีโนมแจ็คสัน โดยขยายขอบเขตขอบเขตไปยังประชากร 21 คนทั่วโลก ครอบคลุมห้าทวีป

คนเหล่านี้ล้วนเป็นส่วนหนึ่งของ โครงการ 1000 จีโนม. เปิดตัวในปี 2008 โครงการนี้ดำเนินไปอย่างแข็งแกร่งด้วย ฐานข้อมูลโอเพ่นซอร์ส พร้อมให้ทุกคนวิเคราะห์ได้ ทีมเลือกชาย 43 คน ครึ่งหนึ่งมีเชื้อสายแอฟริกันเป็นส่วนใหญ่ โดยรวมแล้ว บรรพบุรุษร่วมกันล่าสุดในกลุ่มนี้คาดว่าจะมีอายุย้อนกลับไปถึง 182,900 ปี ซึ่งย้อนเวลากลับไปได้ไกลกว่าจีโนมอ้างอิง GRCh38 ในปัจจุบันมาก

มีเพียงบางส่วนของ Ys เท่านั้นที่แตกต่างกันทั้งในด้านพันธุกรรมและอีพิเจเนติกส์ ซึ่งเป็นการควบคุมของยีนในแต่ละคน แต่การเปลี่ยนแปลงนั้นใหญ่โตอย่างน่าประหลาดใจ บางคนมียีนที่กลับลำดับใน 14 ตำแหน่งที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อโครงสร้างทางพันธุกรรมครึ่งหนึ่งของโครโมโซม Y โครโมโซม Y มีแนวโน้มที่จะคัดลอกตัวเองเช่นกัน โดยยีนหนึ่งที่รู้จักกันในการผลิตสเปิร์ม TSPY มีสำเนามากกว่า 10 สำเนาในบุคคลหนึ่งมากกว่าอีกยีนหนึ่ง การแตกหักทางพันธุกรรมอื่นๆ ก็เกิดขึ้นเช่นกัน แต่ Y ยังคงใช้งานได้และยืดหยุ่นต่อพลังวิวัฒนาการ

ถึง ดร. มาร์ก จ็อบลิง แห่งมหาวิทยาลัยเลสเตอร์ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานทั้งสองงาน ผลลัพธ์เหล่านี้ "ยืนยันว่าเนื้อหายีนของโครโมโซม Y ได้รับการอนุรักษ์ไว้โดยพื้นฐานแล้ว" ส่วนโครโมโซม Y ที่กำลังจะเหี่ยวเฉา “ความคิดที่ว่า Y ยังคงเสื่อมลงและถูกกำหนดให้หายไปนั้น ขัดกับสิ่งนี้จริงๆ” เขา กล่าว.

ในตอนนี้ การศึกษายังไม่สามารถเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซม Y กับโรคเฉพาะได้ แต่เป็นแหล่งข้อมูลที่ครอบคลุมแหล่งแรกที่เปิดประตูสู่การวิจัยทางพันธุกรรม การรักษา และชีววิทยาสังเคราะห์ เมื่อพิจารณาจากตำแหน่งของยีน TSPY ทีมงานรู้อยู่แล้วว่าเป็นสถานที่ที่มีการเปลี่ยนแปลง DNA บ่อยครั้ง

“มันเหมือนกับทีวีความละเอียดสูงเล็กน้อย—เราสามารถมองเห็นภาพได้ก่อนหน้านี้ และการศึกษาเหล่านี้นำมาซึ่งการโฟกัสที่คมชัดเป็นพิเศษ” Joling กล่าว

สำหรับผู้เขียน การศึกษาถือเป็น “ก้าวสำคัญที่รอคอยมานานแต่สำคัญต่อการทำความเข้าใจขอบเขตความแปรผันทางพันธุกรรมของมนุษย์อย่างเต็มรูปแบบ” มันเป็น "จุดเริ่มต้น" ที่จะถอดรหัสบทบาทลึกลับของ Y ในที่สุด ซึ่งเป็นโครโมโซมลึกลับที่หล่อหลอมวิวัฒนาการของมนุษย์และตัวมันเอง และมีแนวโน้มว่าจะเป็นเช่นนั้นสำหรับคนรุ่นต่อไป

เครดิตภาพ: เอ็น. ฮานาเชค/NIST

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์