Il cromosoma Y è una fonte infinita di fascino (soprattutto per gli uomini) perché porta i geni che determinano la mascolinità e producono gli spermatozoi. È anche piccolo e davvero strano; trasporta pochi geni ed è pieno di DNA con segmenti non utilizzati che ne rende difficile il sequenziamento.
Tuttavia, le nuove tecniche di sequenziamento “a lunga lettura” hanno finalmente fornito una sequenza affidabile da un’estremità all’altra della Y. L’articolo che descrive questo sforzo erculeo è stato pubblicato su Nature.
I risultati forniscono una solida base per esplorare come funzionano i geni del sesso e dello sperma, come si è evoluto il cromosoma Y e se, come previsto, scomparirà tra qualche milione di anni.
La creazione dei maschietti
Sappiamo da circa 60 anni che i cromosomi specializzati determinano il sesso alla nascita negli esseri umani e in altri mammiferi. Le femmine hanno una coppia di cromosomi X, mentre i maschi hanno un singolo cromosoma X e un cromosoma Y molto più piccolo.
Il cromosoma Y è determinante per il maschio perché porta un gene chiamato SRY, che dirige lo sviluppo di una cresta di cellule in un testicolo nell’embrione. I testicoli embrionali producono ormoni maschili e questi ormoni dirigono lo sviluppo delle caratteristiche maschili in un bambino.
Senza un cromosoma Y e un gene SRY, la stessa cresta di cellule si sviluppa in un’ovaia negli embrioni XX. Gli ormoni femminili dirigono poi lo sviluppo dei tratti femminili nella bambina.
Una discarica di DNA
Il cromosoma Y è molto diverso dal cromosoma X e dagli altri 22 cromosomi del genoma umano. È più piccolo e porta pochi geni (solo 27 rispetto ai circa 1.000 della X).
Questi includono SRY, alcuni geni necessari per produrre spermatozoi e diversi geni che sembrano essere fondamentali per la vita, molti dei quali hanno partner sulla X. Molti geni Y (inclusi i geni spermatici RBMY e DAZ) sono presenti in copie multiple. Alcuni si verificano in strani cicli in cui la sequenza è invertita e sono comuni incidenti genetici che duplicano o cancellano i geni.
La Y ha anche molte sequenze di DNA che non sembrano contribuire ai tratti. Questo “DNA con segmenti non utilizzati” è composto da sequenze altamente ripetitive che derivano da frammenti di vecchi virus, geni morti e sequenze molto semplici di poche basi ripetute più e più volte.
Quest’ultima classe di DNA occupa grandi porzioni della Y che brillano letteralmente nell’oscurità; puoi vederlo al microscopio perché lega preferenzialmente i coloranti fluorescenti.
Perché la Y è strana
Perché la Y è così? Tutta colpa dell’evoluzione.
Abbiamo molte prove che 150 milioni di anni fa X e Y erano solo una coppia di cromosomi ordinari (sono ancora presenti negli uccelli e negli ornitorinchi). C’erano due copie, una per ciascun genitore, come per tutti i cromosomi.
Poi SRY si è evoluto (da un antico gene con un’altra funzione) su uno di questi due cromosomi, definendo un nuovo proto-Y. Questo proto-Y è stato per sempre confinato in un testicolo, per definizione, e soggetto a una raffica di mutazioni come risultato di molte divisioni cellulari e poche riparazioni.
Il proto-Y degenerò rapidamente, perdendo circa 10 geni attivi ogni milione di anni, riducendone il numero dai 1.000 originali a soli 27. Una piccola regione “pseudoautosomica” a un’estremità mantiene la sua forma originale ed è identica al suo precedente partner, l’X. .
Si è discusso molto se questo degrado continui, perché di questo passo l’intero Y umano scomparirebbe in pochi milioni di anni (come è già successo in alcuni roditori).
Il sequenziamento Y è stato un incubo
La prima bozza del genoma umano è stata completata nel 1999. Da allora, gli scienziati sono riusciti a sequenziare tutti i cromosomi comuni, compreso quello X, con solo poche lacune.
Lo hanno fatto utilizzando il sequenziamento a lettura breve, che consiste nel tagliare il DNA in pezzetti di circa un centinaio di basi e riassemblarli come un puzzle.
Ma è solo di recente che la nuova tecnologia ha consentito il sequenziamento delle basi lungo singole molecole di DNA lunghe, producendo letture lunghe di migliaia di basi. Queste letture più lunghe sono più facili da distinguere e possono quindi essere assemblate più facilmente, gestendo le confuse ripetizioni e anse del cromosoma Y.
L’Y è l’ultimo cromosoma umano ad essere stato sequenziato end-to-end, o T2T (telomero-telomero). Anche con la tecnologia a lettura lunga, l’assemblaggio dei frammenti di DNA era spesso ambiguo e i ricercatori hanno dovuto fare diversi tentativi in regioni difficili, in particolare nella regione altamente ripetitiva.
Allora, cosa c’è di nuovo sulla Y?
Avviso spoiler: la Y risulta essere altrettanto strana quanto ci aspettavamo da decenni di mappatura genetica e dal precedente sequenziamento.
Sono stati scoperti alcuni nuovi geni, ma si tratta di copie extra di geni di cui si sapeva già che esistevano in copie multiple. Il confine della regione pseudoautosomica (che è condivisa con la X) è stato spinto un po’ più in là, verso la punta del cromosoma Y.
Ora conosciamo la struttura del centromero (una regione del cromosoma che separa le copie quando la cellula si divide) e abbiamo una lettura completa della complessa miscela di sequenze ripetitive nell’estremità fluorescente della Y.
Ma forse il risultato più importante è quanto saranno utili i risultati per gli scienziati di tutto il mondo.
Alcuni gruppi esamineranno ora i dettagli dei geni Y. Cercheranno sequenze che potrebbero controllare il modo in cui vengono espressi SRY e i geni dello sperma e per vedere se i geni che hanno partner X hanno mantenuto le stesse funzioni o ne hanno evolute di nuove.
Altri esamineranno attentamente le sequenze ripetute per determinare dove e come hanno avuto origine e perché sono state amplificate. Molti gruppi analizzeranno anche i cromosomi Y di uomini provenienti da diversi angoli del mondo per rilevare segni di degenerazione o recente evoluzione della funzione.
È una nuova era per il cromosoma Y.
Autore
Lluís Montoliu, Centro Nazionale di Biotecnologia (CNB – CSIC)
