Unik sekvens på kønskromosomerne spiller stor rolle for menneskets udvikling

Videnskabelige nybrud 16. feb 2023 4 min Professor Mikkel Heide Schierup Skrevet af Kristian Sjøgren

Et lille og næsten uanseeligt stykke af arvemassen på kønskromosomerne er essentielt for delingen af DNA i sædceller og ægceller. Nu viser ny forskning, at dette lille stykke arvemasse spiller en meget vigtig rolle i det evolutionære pres på vores art, og at der sker mutationer i arvematerialet med ekstrem høj frekvens.

Når mænds testikler producerer sædceller, er det bydende nødvendigt, at hver sædcelle indeholder lige akkurat én kopi af alle mandens kromosomer.

Det gælder for kromosom 1, 2, 3 osv. indtil kromosom 22, og det gælder også for kønskromosomerne.

De celler, som er udgangspunkt for dannelsen af sædcellerne, indeholder dog to af hver af kromosomerne, bortset fra kønskromosomerne, som der er én af hver af – X og Y. Derfor er det et genetisk puslespil at få opdelt kromosomparrene, så der kun ryger ét af hvert kromosom videre til næste generation, hverken mere eller mindre.

De sædceller, der bliver udstyret med et X, har potentialet til at blive til piger, mens de sædceller, der bliver udstyret med et Y, med tiden kan blive til drengebørn.

Nu viser et nyt forskningsresultat, at en lille del af arvematerialet, som spiller en helt essentiel rolle i at sikre, at kønskromosomerne bliver fordelt korrekt i sædcellerne, er under et enormt evolutionært pres, der resulterer i en meget højere frekvens af mutationer i netop dette lille stykke arvemateriale.

Forskningen viser også, at selvom vi faktisk deler en del af det arvemateriale, som sidder i kønskromosomerne, med vores nærmeste slægtninge, neandertalerne og denisovanerne, er denne lille del af arvematerialet faktisk helt Homo sapiens’ eget.

"Vi kan se, at der sker en meget hurtig udvikling i dette område i arvematerialet, men at udviklingen heller ikke går så hurtigt, at funktionen af det genetiske område går tabt. Vores studie kommer på den måde med en indsigt i det evolutionære maskinrum, som har været med til at forme vores art og adskille os fra vores nærmeste slægtninge," forklarer en af forskerne bag studiet, professor Mikkel Heide Schierup fra Center for Bioinformatik ved Aarhus Universitet.

Forskningsarbejdet, der er publiceret i Genome Biology, er udført af postdoc Juraj Bergman sammen med Mikkel Heide Schierup.

Kønskromosomer er forskellige fra hinanden

Celledeling med henblik på at danne sædceller er en kompliceret affære.

Udgangspunktet er en såkaldt diploid celle med to af hvert kromosom, bortset fra kønskromosomerne, som der kun er ét af hvert af. Denne diploide celle skal splittes i to, og i hver af dattercellerne skal der gerne være ét af hvert af de 22 kromosomer plus ét kønskromosom.

Sker fordelingen af kromosomerne ikke korrekt, er sædcellerne og det potentielle foster for det meste ikke levedygtigt. Bliver fordelingen konsekvent ikke udført korrekt, er manden infertil.

Heldigvis er kroppen indrettet så sindrigt, at der findes en lang række mekanismer til at sikre, at kromosomerne bliver fordelt korrekt i hver af de to sædceller, som kommer ud af én celledeling.

Disse mekanismer beror på, at kromosomerne er ens, og de cellulære mekanismer kan derved genkende og fordele kromosomerne én efter én.

Her kommer problemet så: De to kønskromosomer X og Y er ikke ens. Det er årsagen til, at det ene kromosom kan lave en pige, mens det andet kan lave en dreng.

For alligevel at være i stand til at kunne genkende de to kønskromosomer som kromosompar, der skal splittes op og fordeles i to forskellige celler, har naturen indrettet os så sindrigt, at en lille sekvens på kønskromosomerne er ens mellem X og Y.

Denne sekvens er ikke mere end 2,5 millioner basepar lang, hvilket er småt i en genetisk sammenhæng.

"Regionen hedder den pseudoautosomale region, og den er helt nødvendig for succesfuld celledeling," forklarer Mikkel Heide Schierup.

Evolutionen virker 40 gange hurtigere i lille region af arvematerialet

Nuvel, for at opnå succesfuld celledeling og få hvert par af kromosomer til at dele sig korrekt er det også nødvendigt med en såkaldt overkrydsning af arvematerialet, hvor det bliver klippet over og samlet igen på ny. Det er blandt andet med til at sikre, at barnet ikke bare er en kopi af mor eller far, men faktisk har gener fra begge forældre.

På kromosomerne kan denne overkrydsning finde sted hvor som helst, men i kønskromosomerne skal det ske i netop den relativt lille pseudoautosomale region, hvilket gør, at overkrydsningstætheden i denne region af arvematerialet er 40 gange højere end i alle andre steder af vores arvemasse. Da overkrydsninger også kan forårsage mutationer, bliver mutationstætheden i denne region også mindst dobbelt så stor

"I vores studie har vi undersøgt, hvad det har af evolutionære konsekvenser, at vi på så lille et område af kønskromosomerne har det her behov for overkrydsninger," siger Mikkel Heide Schierup.

Ekstrem hurtig udvikling i den pseudoautosomale region

I undersøgelsen har forskerne studeret arvemateriale fra blandt andet mennesker, neandertalere og denisovanere.

Resultatet af undersøgelsen er meget deskriptivt, men viser, at den pseudoautosomale region udvikler sig ekstremt hurtigt med høj forekomst af nye mutationer i forhold til andre regioner af arvematerialet.

Betydningen af den hurtige udvikling er, at den pseudoautosomale region bliver kortere og kortere, og at regionen på Y-kromosomet hele tiden bliver mere forskellig fra regionen på X-kromosomet.

"Det er et trade-off, for de må ikke blive for forskellige, idet det vil betyde, at der kommer til at opstå flere fejl i delingen af kønskromosomerne ved dannelsen af sædcellerne. Det kan få betydning for artens overlevelse. Med indsigt i mutationerne i menneskets pseudoautosomale regioner og i en sammenligning med for eksempel chimpansernes tilsvarende del af arvematerialet kan vi også blive klogere på alle de ændringer, der er sket i denne del af vores arvemateriale, siden vores arter gik hver til sit for over seks mio. år siden. Det vil gøre os klogere på artdannelse, og hvad der driver den," siger Mikkel Heide Schierup.

Gav vores Y-kromosom til neandertalerne

Et andet interessant fund i studiet er, at forskerne også kan se, at denne del af arvematerialet er unik for Homo sapiens.

For 250.000 år siden udvandrede de første moderne mennesker fra Afrika, og i Europa stødte de på neandertalerne, som de fik børn med. Det betød, at disse første udvandrere blandt andet gav deres Y-kromosom og gener for mitokondrierne videre til neandertalerne, men ikke gjorde det samme til den anden af vores nærmeste slægtninge, denisovanerne.

Det nye forskningsresultat kunne dog afsløre, at netop den pseudoautosomale region ikke blev sendt videre fra de første Homo sapiens til hverken neandertalerne eller denisovanerne.

"Vores Y-kromosom er i dag meget ens med neandertalernes, og det peger på, at de ”tog” hele vores Y-kromosom, men alligevel beholdt netop denne region fra deres oprindelige arvemateriale. Det giver et unikt indblik i, hvordan mennesker og neandertalere har udviklet sig hver for sig, men også sammen, gennem forhistorien," siger Mikkel Heide Schierup.

"Evolutionary dynamics of pseudoautosomal region 1 in humans and great apes" er udgivet i Genome Biology. Mikkel Heide Schierup modtog i 2018 støtte af Novo Nordisk Fonden til projektet "The extraordinary evolution of human sex chromosomes". 

Bioinformatics focuses on developing computational methods for collecting, handling and analyzing biological data. Research ranges from formulating mo...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020