Einführung in die Sequenzierung und Assemblierung von Geschlechtschromosomen
Geschlechtschromosomen sind ein faszinierendes Forschungsthema in der evolutionsbiologischen und entwicklungsbiologischen Forschung aufgrund ihrer spezifischen und vielfältigen evolutionären Entwicklungen, einschließlich X/Y-, Z/W- und U/V-Geschlechtschromosomen. Allerdings waren Geschlechtschromosomen die schwierigeren und weniger effektiven Bereiche für die Genomassemblierung und -annotation von Pflanzen und Tieren. Mit den raschen Fortschritten in der Genomsequenzierung, Assemblierung und Scaffold-Technologien ist es nun möglich, Typisierungsassemblierungen für Geschlechtschromosomen zu erstellen.
Die Geschlechtschromosomen, bestehend aus X- und Y-Chromosomen, sind entscheidende Faktoren für das biologische Geschlecht und spielen in verschiedenen Arten unterschiedliche Rollen. Die Sequenzierung und Assemblierung der Geschlechtschromosomen stellt ein komplexes, aber unverzichtbares Unterfangen dar, das mehrere Verfahrensschritte umfasst. Zunächst sind die Probenentnahme und die DNA-Extraktion unerlässlich, gefolgt von der Sequenzierung der extrahierten DNA mit modernen Sequenzierungsplattformen wie Illumina. PacBio SMRT, und Oxford NanoporeDiese Sequenzierungstechnologien erzeugen umfangreiche DNA-Sequenzfragmente und legen die Grundlage für nachfolgende Analysen. Nach der Sequenzierung erfolgt eine sorgfältige Verarbeitung und Reinigung der erzeugten Sequenzdaten, um niedrigqualitative Sequenzen und Kontaminationen zu beseitigen. Anschließend wird eine Kombination aus Paar-End- oder Langzeit-Sequenzierung Daten werden verwendet, um die Sequenzierungsgenauigkeit und -qualität zu verbessern. Durch diese Sequierungsanstrengungen werden die Identifizierung und Trennung von X- und Y-Chromosomen-Sequenzen erreicht, die als Grundlage für die Assemblierung der Geschlechtschromosomen und weitere umfassende Analysen dienen.
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Was sind die Strategien für die Zusammenstellung von Geschlechtschromosomen?
Die Analyse von Geschlechtschromosomen in verschiedenen Arten ist ein entscheidender Aspekt der genomischen Forschung, die darauf abzielt, die Mechanismen der Geschlechtsbestimmung und die genetische Vielfalt zu verstehen. Es gibt mehrere Strategien, die in diesem Prozess eingesetzt werden, jede mit ihren eigenen Vorteilen und Herausforderungen.
Der erste Ansatz besteht darin, die Geschlechtschromosomen der Art durch gezielte Anreicherungstechniken, wie die Mikronukleus-Trägermethode oder die Einzelzell-Sequenzierung, einzeln zu sequenzieren. Diese Methode isoliert die Geschlechtschromosomen von anderen Chromosomen und führt eine separate Sequenzierung durch, wodurch die Abdeckung und Tiefe der Geschlechtschromosomen erhöht wird. Dies führt folglich zu einer umfassenderen und genaueren Zusammenstellung der Geschlechtschromosomen.
Die zweite Strategie besteht darin, Geschlechtschromosomen zu spezifizieren, indem die Sequenzierungstiefe im gesamten Bereich erhöht wird. Genomsequenzierung Dieses Augmentierung gewährleistet die Abdeckung aller Regionen der Geschlechtschromosomen. Durch die Verstärkung der Sequenzierungstiefe werden die Abdeckung und Zuverlässigkeit der Geschlechtschromosomen verbessert, was eine bessere Zusammenstellung und Analyse erleichtert.
Der Endanflug kombiniert von neuem Sequenzierung mit Ressequenzierungsmethoden. Zunächst, von Neuem Sequenzierung wird eingesetzt, um vorläufige Versammlungsergebnisse der Geschlechtschromosomen zu erhalten. Anschließend werden Sequenzierungstechnologien wie Langzeit-Sequenzierungwerden genutzt, um Sequenzlücken zu füllen und komplexe sich wiederholende Regionen in der Assemblierung zu lösen. Diese integrierte Strategie verbessert die Kontinuität und Genauigkeit der Assemblierung von Geschlechtschromosomen, insbesondere bei der Behandlung komplexer sich wiederholender Sequenzen.
Y-Chromosomen-Assemblierung bei Gorillas und Menschen
Die Y-Chromosomen-Sequenzen von Säugetieren sind entscheidend für das Studium der Geschlechtsbestimmung, aber das Y-Chromosom ist reich an repetitiven und palindromischen Sequenzen und ist der schwierigste Teil des Genoms, um ihn zusammenzusetzen. Forscher erhielten das Y-Chromosom-Genom des Gorillas durch Illumina und PacBio-Sequenzierungmit einer Größe von 25,4 Mb, einem Scaffold N50 von 97,45 Kb und einem NG50 von 99,19 Kb.
Abbildung 1. Der für die Y-Chromosomen-Assemblierung des Gorillas angewandte Arbeitsablauf (Tomaszkiewicz M et al., 2016)
Ähnlich wie das Gorillachromosom hat das menschliche Y-Chromosom eine hochlesbare Sequenz und ist äußerst schwierig zusammenzusetzen. Die vom Fluss-Sortieren und der Anreicherung gewonnenen Y-Chromosom-DNA wurde durch eine Kombination aus Kurzlese- und Langzeit-SequenzierungNach der Montage wurde die ursprüngliche Version der Montage mit Pilon-Software poliert, indem NGS Daten mit höherer Einzelbasisgenauigkeit, gefolgt von einer zusätzlichen Runde der Racon-Fehlerkorrektur, was zu einer Y-Chromosomen-Genomgröße von 21,5 Mb führte. Im Vergleich zur Y-Chromosomen-Assemblierung des Gorillas (Contig N50=17,95Kb) wurde die Kontinuität um das 80-Fache verbessert (Contig N50=1,46Mb).
Abbildung 2. Menschliche Chromosom-Y-Assemblierung (Kuderna L F K et al., 2019)
Für hochgradig repetitive Genome wie bei Säugetieren ist die Verwendung von Langzeit-Sequenzierung kann die Zusammenstellung von Geschlechtschromosomen erheblich vereinfachen und könnte theoretisch auf andere Arten ausgeweitet werden.
Sexchromosomenzusammenbau und -evolution bei Vögeln
In dieser Studie wurden die Genome von fünf weiblichen Paradiesvögeln sequenziert und mit Illumina erstellt, wobei ALLPATHS-LG verwendet wurde. Unter Verwendung der veröffentlichten Z-Chromosomen-Sequenzen der Genome von Kohlmeise und Nebelkrähe als Referenzgenome wurden die sequenzierten Arten genomweit mit den Referenzgenomen verglichen, und das Gerüst im Vergleich wurde als Z-Chromosomen-Sequenz klassifiziert, und die Z-Chromosomen wurden assembliert. Theoretisch sollten die Z- und W-Chromosomen weiblicher Paradiesvögel mit der halben Tiefe der Autosomen sequenziert werden, und das Gerüst des W-Chromosoms sollte herausgefiltert werden, um die Assemblierung des W-Chromosoms basierend auf diesem Prinzip abzuschließen.
In der vorliegenden Studie wurden die Z- und W-Geschlechtschromosomen von Vögeln durch einen genomweiten Vergleich mit Arten, die die Sequenzierung der Z-Chromosomen abgeschlossen hatten, unter Anwendung des Prinzips der Tiefenhalbierung assembliert, was zur Erklärung der Evolution der Geschlechtschromosomen bei Vögeln beiträgt.
Die Evolution der Geschlechtschromosomen bei Spargel
Die Gene, die für die Geschlechtsdifferenzierung verantwortlich sind, sowie ihre Organisationsmuster sind jedoch noch unzureichend untersucht, und die Mechanismen der Geschlechtsbestimmung sowie die Zusammensetzung der Geschlechtschromosomen sind nach wie vor unklar. In dieser Studie sequenzierten die Autoren ein diploides (YY) männliches Gartenaspargus-Individuum mittels Illumina und PacBio, assemblierten Illumina-Lesevorgänge mit SOAPdenovo2, schlossen Lücken mit Gapcloser und konstruierten Gerüste mit SSPACE; verwendeten PacBio-Lesevorgänge mit PBjelly2 zur Lückenfüllung und zur Verbesserung der Gerüste durch PBjelly2; resequenzierten 35 XX-Weibchen und 39 YY-Supermännchen und konstruierten ein Verknüpfungskarteund genomunterstützte Assemblierung unter Verwendung von genetischer und optischer Kartierung, was zu einer Genomgröße von 1,3 G führte.
In dieser Studie wurde das diploide (YY) Genom von Spargel assembliert und geschlechtsspezifische Regionen wurden identifiziert. Die Resequenzierungsanalyse zeigte, dass zweihäusige Pflanzen erst kürzlich im Genus Spargel entstanden sind und die gleiche XY-Morphologie aufweisen; die Untersuchung des Genaufbaus des Y-Chromosoms und des geschlechtsspezifischen Bestimmungsmechanismus von zweihäusigen Pflanzen bietet einen Referenzrahmen für die Geschlechtsbestimmung bei Spargel.
Zusammenfassung
Langzeit-Sequenzierung wird erwartet, dass die vollständige Sequenzassemblierung der Geschlechtschromosomen so schnell wie möglich erreicht wird. Bis heute wurden Hunderte von Geschlechtschromosomen von Pflanzen und Tieren mit unterschiedlichen Graden an Kontinuität und Vollständigkeit sequenziert, assembliert und veröffentlicht. Da Genomsequenzierung Technologien entwickeln sich weiter, hochauflösend Langzeit-Sequenzierung setzt sich weiterhin fort, und die Algorithmen für fraktale Assemblierung und Gerüstbau verbessern sich, wird erwartet, dass die Assemblierung von hochkontinuierlichen Paaren von Geschlechtschromosomen bald zur Norm wird.
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Referenzen:
- Tomaszkiewicz M, Rangavittal S, Cechova M, et al. Eine zeit- und kosteneffiziente Strategie zur Sequenzierung von Säugetier-Y-Chromosomen: eine Anwendung zur de novo Assemblierung des Gorilla-Y. Genomforschung, 2016, 26(4): 530-540.
- Kuderna L F K, Lizano E, Julià E, et al. Selektive Einzelmolekül-Sequenzierung und -Zusammenstellung eines menschlichen Y-Chromosoms afrikanischer Herkunft. Naturkommunikationen, 2019, 10(1): 4.
- Xu L, Auer G, Peona V, et al. Dynamische evolutionäre Geschichte und Geninhalt der Geschlechtschromosomen bei verschiedenen Singvögeln. Natur Ökologie & Evolution, 2019, 3(5): 834.
- Harkess A, Zhou J, Xu C, et al. Das Genom des Spargels gibt Aufschluss über den Ursprung und die Evolution eines jungen Y-Chromosoms. Naturkommunikation, 2017, 8(1): 1279.
Richtlinien zur Einreichung von Proben
