德克萨斯农工大学领导的基因组测序项目揭示了猫进化的新秘密

德克萨斯农工大学兽医与生物医学学院 (VMBS) 的研究人员和一个跨学科合作团队发现了有关猫进化史的新信息，解释了猫(包括狮子、老虎和家猫等知名物种)的进化过程深入研究不同物种，揭示猫的不同基因变化与生存能力(如嗅觉猎物的能力)之间的关系。

通过比较几种猫科动物的基因组，今天发表在《自然遗传学》杂志上的该项目帮助研究人员了解为什么猫科动物的基因组往往比其他哺乳动物群体(如灵长类动物)具有更少的复杂遗传变异(例如 DNA 片段的重排)。它还揭示了关于猫 DNA 的哪些部分最有可能快速进化以及它们如何在物种分化中发挥作用的新见解。

“我们的目标是更好地了解猫是如何进化的，以及猫物种之间性状差异的遗传基础，”VMBS 兽医综合生物科学教授、专门研究猫进化的 Bill Murphy 博士说。“我们希望利用一些新技术来创建更完整的猫基因组图谱。

“我们的发现将为人们研究猫科疾病、行为和保护打开大门，”他说。“他们将更全面地了解使每种猫独一无二的基因差异。”

主题变奏

科学家们试图更好地理解为什么猫科动物的染色体(包含毛皮颜色、大小和感觉能力等特征的遗传信息的细胞结构)比其他哺乳动物群体更稳定。

“我们已经知道跨物种的猫染色体彼此非常相似，”墨菲说。“例如，狮子和家猫的染色体几乎没有区别。与类人猿中常见的情况相比，重复、重排和其他类型的变异似乎要少得多。”

在灵长类动物中，这种遗传变异导致了不同物种的进化——包括人类和类人猿。

“类人猿基因组往往会断裂和重新排列，甚至人类基因组也有非常不稳定的区域，”墨菲说。“这些变异可能会使某些人容易患有遗传性疾病，例如自闭症和其他神经系统疾病。”

正如墨菲发现的那样，猫和猿之间这种差异的关键似乎是所谓的片段重复的频率，即 DNA 片段与基因组其他地方发现的其他 DNA 片段高度相似的副本。

“灵长类基因组研究人员已经能够将这些片段重复与染色体重排联系起来，”他说。DNA 中的片段重复越多，染色体重新排列的可能性就越大，等等。

“通过比较大量猫科动物的基因组，我们发现猫只具有其他哺乳动物群体中发现的片段重复的一小部分——灵长类动物的这些重复实际上是猫的七倍。这是一个很大的差异，现在我们相信我们理解为什么猫的基因组更稳定，”他说。

A(双)螺旋中的针

虽然猫的 DNA 中可能没有那么多大的基因重排，但它们仍然有很多差异。通过他们的研究，墨菲和他的同事现在更好地了解了猫 DNA 的哪些部分导致了这些变异，尤其是定义物种形成或物种之间差异的变异。

“事实证明，X 染色体中心有一个很大的区域，大部分基因重排都发生在那里，”墨菲说。“事实上，这个区域中有一个名为 DXZ4 的特定重复元件，证据告诉我们，它在很大程度上导致了至少两种猫科动物(家猫和丛林猫)的基因隔离。”

DXZ4 就是墨菲所说的卫星重复序列——它不是一个典型的编码毛皮颜色等物理特征的基因，但它有助于 X 染色体的三维结构，并且可能在猫的物种形成中发挥了重要作用。

“我们仍然不知道确切的机制，但通过比较所有这些猫的基因组，我们可以更好地测量 DXZ4 在一个物种中相对于所有其他物种的进化速率。我们了解到，DXZ4 是猫基因组中进化最快的部分之一;它的进化速度比基因组中 99.5% 的其他部分都要快，”他解释道。

“由于它的突变速度，我们能够证明为什么 DXZ4 可能与物种形成有关，”墨菲说。

嗅出难以捉摸的基因

利用新的、高度详细的基因组序列，研究小组还发现了嗅觉基因数量之间更清晰的联系，这些基因控制着猫的气味检测和社会行为的变化以及它们与周围环境的关系。

“由于猫是捕食者，它们严重依赖嗅觉来发现猎物，因此它们的嗅觉是它们的重要组成部分，”他说。“猫是一个非常多样化的家族，我们一直想了解遗传变异如何影响不同猫科动物在不同环境中的嗅觉能力。

墨菲说：“狮子和老虎在检测信息素所涉及的某些气味基因之间存在相当大的差异，信息素是不同动物释放到环境中以传达有关身份、领地或危险信息的化学物质。”

“我们认为巨大的差异与狮子是非常​​群居的动物，生活在家庭群体中，而老虎则过着孤独的生活方式。狮子对信息素和其他气味的依赖可能会减少，因为它们经常在其他狮子身边，这反映在它们的基因组中此类基因较少，”他说。

另一方面，老虎需要能够在非常大的领地范围内闻到猎物的气味并寻找配偶。

“一般来说，老虎拥有大量的嗅觉和信息素受体库，”墨菲说。“我们认为这与它们的领地大小和生活环境的多样性直接相关。”

另一方面，家猫似乎失去了多种嗅觉基因。

“如果它们因为与人类一起生活而不必长途跋涉去寻找所需的东西，那么自然选择不会保留这些基因是有道理的，”他说。

墨菲分享说，该项目中他最喜欢的例子是渔猫的气味受体，渔猫是一种生活在东南亚的水生野生猫科动物。

他说：“我们能够证明，渔猫保留了许多检测水生气味的基因，这在陆地脊椎动物中是相当罕见的特征。” “随着时间的推移，所有其他猫科动物都失去了这些特定的基因，但渔猫仍然拥有它们。”

有关猫嗅觉基因的新信息是通过一种称为“三重分箱”的新基因组测序方法获得的，该方法使研究人员能够对基因组中最困难的区域进行测序。

这项新技术还使得分离母本 DNA 和父本 DNA 变得更加容易。

“通过三重分箱，您现在可以从 F1 杂交动物(一种其 DNA 在不同物种的亲本之间进行 50-50 分割的动物)中获取 DNA，并干净地分离母本和父本 DNA，从而为您提供两套完整的 DNA，每套 DNA 一套。亲本物种，”墨菲说。“过程更简单，结果更完整。”

填空

该项目最重要的结论之一是猫科动物可能在很多方面相似，但它们的差异很重要。

“这些差异向我们展示了这些动物如何完美地适应它们的自然环境，”墨菲说。“它们不可互换，这对于自然资源保护主义者和其他致力于保护或恢复自然栖息地物种的人来说是宝贵的信息。

“例如，你不能假设苏门答腊岛和西伯利亚的老虎是一样的，”他说。“它们的环境截然不同，这些老虎种群可能已经发展出专门的基因适应能力，以帮助它们在这些截然不同的地方生存。”

对于科学家来说，认识到最难组装的基因组部分可能正是理解免疫和生殖等重要身体系统的关键，这一点也很重要。

“嗅觉基因并不是唯一难以测序和研究的基因。科学家们还一直在努力对免疫和生殖基因进行测序，因此之前的研究缺少此类信息。想象一下，在没有掌握所有细节的情况下，尝试研究猫、人类或任何物种的遗传状况;这就是为什么组装完整的基因组很重要，”墨菲说。

目前，墨菲和他的团队将继续将最先进的基因组测序和组装技术应用于猫的基因组，以尽可能多地填充有关猫的世界的信息。

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