Pseudoautosomal region 1 length polymorphism in the human population

Abstract

Introduction: At each of their ends, the two human sex chromosomes feature a region of identical sequence. These two pseudoautosomal regions (PAR) enable a proper paring and subsequent segregation of the apart from that different sex chromosomes during male meiosis. The border between pseudoautosomal region 1 (PAR1) and the specificly gonosomal sequences originated during the divergence of the great apes. After having lost genetic material from its proximal end, the pseudoautosomal region is considered to be henceforth stable. Doing a copy number variation screening, we detected a duplication immediately proximal of PAR1 in 15 independent families. Although comprising X specific sequence, this duplication was exclusively inherited from father to son. This suggested the duplicon to be positioned on the Y chromosome. Is this duplicon an evolutionarily older version of PAR1 in the manner of a “non-deletion”? Methods: The following methods were used to tackle this issue: aCGH, FISH, PCR with gelelectrophoresis, BAC mediated targeted paired-end sequencing, Sanger sequencing, single molecule sequencing (PacBio) and Y-chr haplogroup and Y-STR typing. Results: This genetic analysis demonstrated that the duplicon featured not an older but a so far unknown younger variant of PAR1. This polymorphism elongating PAR1 by 105kb was generated by a non-allelic homoulogous recombination between the X and the Y chromosome, which was mediated by the 548 bp long repeat LTR6B. The identification of the reciprocal deletion on the X chromosome in one family and the occurrence of the variant in different chromosome Y haplogroups demonstrate this is a recurrent genomic rearrangement in the human population. Conclusion: There is a pseudoautosomal length polymorphism in the human population. Pseudoautosomal regions do not only lose genetic material from their proximal ends but can also gain it there. This new mechanism shaping the sex chromosomal evolution could spare pseudoautosomal regions and thus Y-chromosomes from a progressive degradation.

Einleitung: An ihren beiden Enden verfügen die menschlichen Geschlechtschromosomen über je einen identischen Sequenzabschnitt. Diese beiden pseudoautosomalen Regionen (PAR) ermöglichen den ansonsten unterschiedlichen Geschlechtschromosomen eine korrekte Paarung und nachfolgende Aufteilung während der Meiose des Mannes. Die Grenze zwischen pseudoautosomaler Region 1 (PAR1) und den spezifischen gonosomalen Sequenzen entstand während der Aufspaltung der Menschenaffen. Nachdem die pseudoautosomale Region an ihrem proximalen Ende Material eingebüßt hatte, gilt sie als fortan stabil. Bei einem Screening auf Kopiezahlpolymorphismen haben wir in 15 voneinander unabhängigen Familien eine Duplikation unmittelbar proximal von PAR1 entdeckt. Obwohl diese Duplikation eine X- spezifische Sequenz beinhaltete, wurde sie ausschließlich von Vater zu Sohn vererbt. Dies ließ vermuten, dass das Duplikon auf dem Y-Chromosom positioniert ist. Handelt es sich bei der Duplikation um eine evolutionär ältere Variante von PAR1 im Sinne einer „Non-Deletion“? Methodik: Um diese Fragestellung anzugehen, wurden folgende Verfahren durchgeführt: aCGH, FISH, PCR mit Gelelektrophorese, BAC- vermittelte gezielte paired-end Hochdurchsatzsequenzierung, Sequenzierung nach Sanger, Einzelmolekülsequenzierung (PacBio) und Y-chromosomale Haplogruppenbestimmung mittels Y-STR Typisierung. Ergebnisse: Diese genomische Analyse zeigte, dass es sich nicht um eine ältere, sondern um eine jüngere bisher unbekannte Variante der PAR1 handelt. Dieser die PAR1 um 105 kbp verlängernde Polymorphismus entstand durch eine nicht-allelische homologe Rekombination zwischen dem X- und dem Y-Chromosom, welche durch den nur 548 bp langen Repeat LTR6B vermittelt wurde. Die Identifikation der reziproken Deletion auf dem X-Chromosom einer Familie und das Vorkommen der Variante in verschiedenen Y-chromosomalen Haplogruppen zeigen, dass es sich dabei um ein wiederkehrendes genomisches Rearrangement in der menschlichen Population handelt. Schlussfolgerung: Es gibt einen Längenpolymorphismus von PAR1 in der menschlichen Population. Pseudoautosomale Regionen verlieren an ihren proximalen Enden nicht nur genetisches Material, sondern können dort auch welches hinzugewinnen. Dieser neue, die gonosomale Evolution gestaltende Mechanismus könnte pseudoautosomale Regionen und folglich auch Y-Chromosomen vor einer voranschreitenden Degradation bewahren.