科学家揭示猫进化的新秘密

德克萨斯农工大学兽医与生物医学科学学院（VMBS）的研究人员，以及一个多学科的合作团队，在猫的进化历史方面取得了重大发现。他们的研究结果揭示了包括狮子、老虎和家猫在内的各种猫科动物分化的发展途径。此外，该研究阐明了猫的遗传变异与重要的生存技能之间的联系，例如它们检测猎物的嗅觉增强。

通过比较几种猫科动物的基因组，该项目最近发表在《自然遗传学》（Nature Genetics）上，帮助研究人员了解了为什么猫基因组的复杂遗传变异（如DNA片段的重排）往往比其他哺乳动物群体（如灵长类动物）少。它还揭示了猫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，以及猫种之间性状差异的遗传基础，”专门研究猫进化的VMBS兽医综合生物科学教授Bill Murphy博士说。“我们希望利用一些新技术，使我们能够创建更完整的猫基因组图谱。

“我们的研究结果将为研究猫科动物疾病、行为和保护的人们打开大门，”他说。“他们将更全面地了解使每种猫独特的遗传差异。

主题变化

科学家们试图更好地理解的一件事是，为什么猫科动物染色体——包含皮毛颜色、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。

“我们已经知道一段时间了，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。“这些变异可能使某些人容易患有遗传病，如自闭症和其他神经系统疾病。

正如墨菲所发现的那样，猫和猿之间这种变异的关键似乎是所谓的片段重复的频率 – DNA片段是基因组其他地方发现的其他DNA片段的高度相似的拷贝。

图中描绘了三重分箱如何从 F1 杂交种中产生亲本物种基因组，左侧为进化时间尺度。图片来源：德克萨斯农工大学的William Murphy博士及其同事

“灵长类动物基因组研究人员已经能够将这些节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，我们发现猫的节段重复只占其他哺乳动物群体的一小部分 – 灵长类动物实际上比猫多七倍。这是一个很大的区别，现在我们相信我们理解了为什么猫的基因组更稳定，“他说。

A Needle In A （双） 螺旋

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，墨菲和他的同事们现在更好地了解了猫DNA的哪些部分导致了这些变异，特别是定义物种形成的变异，或者物种之间的差异。

“事实证明，在X染色体的中心有一个很大的区域，大多数基因重排都发生在那里，”墨菲说。“事实上，在这个区域内有一个特定的重复元素，称为DXZ4，有证据表明，它在很大程度上导致了至少两种猫科动物的基因分离，即家猫和丛林猫。

DXZ4是墨菲所说的卫星重复序列——它不是编码皮毛颜色等物理特征的典型基因，而是有助于X染色体的三维结构，并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在一个物种中与其他所有物种相比的进化速度。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其余部分的99.5%都要快，“他解释说。

“由于它变异的速度，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的数量与社会行为的变化以及它们与周围环境的关系之间更清晰的联系，这些基因控制着猫的气味检测。

“由于猫是捕食者，它们严重依赖嗅觉来检测猎物，因此它们的嗅觉是它们非常重要的一部分，”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在不同猫科动物在不同环境中的嗅觉能力中发挥作用。

“狮子和老虎在检测信息素的某些气味基因之间有很大的差异，信息素是不同动物释放到环境中以传达有关身份，领土或危险的信息的化学物质，”墨菲说。

“我们认为，最大的区别在于狮子是生活在家庭群体中的非常社会化的动物，而老虎则过着孤独的生活方式。狮子可能减少了对信息素和其他气味剂的依赖，因为它们经常在其他狮子周围，这反映在它们基因组中这种类型的基因较少，“他说。

另一方面，老虎需要能够在非常大的领土上闻到猎物的气味并找到配偶。

“一般来说，老虎有很大的嗅觉和信息素受体库，”墨菲说。“我们认为这与他们的领土规模和他们生活的各种环境直接相关。

另一方面，家猫似乎已经失去了广泛的嗅觉基因。

“如果他们不必走那么远去寻找他们需要的东西，因为他们与人一起生活，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，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适应性野生猫科动物。

“我们能够证明，渔猫保留了许多用于检测水源性气味的基因，这在陆生脊椎动物中是一个非常罕见的特征，”他说。“随着时间的流逝，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。

这种关于猫嗅觉基因的新信息是通过一种称为三重分箱的基因组测序新方法实现的，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。

这项新技术还使分离母系和父系DNA变得更加容易。

“通过三重分箱，你现在可以从F1杂交种中提取DNA – 一种动物的DNA在不同物种的父母之间分裂50-50 – 并干净地分离母系和父系DNA，给你两套完整的DNA，每个亲本物种一个，”墨菲说。“过程简单多了，结果也完整了。”

填空

该项目最重要的结论之一是，猫科动物可能在许多方面相似，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，这对于环保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有价值的信息。

“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，同样重要的是要意识到，最难组装的基因组部分可能只是理解免疫和生殖等关键身体系统的关键。

“嗅觉基因并不是唯一对测序和研究具有挑战性的基因。科学家们也一直在努力对免疫和生殖基因进行测序，因此以前的研究缺少此类信息。想象一下，试图研究猫、人类或任何物种的遗传状况，就此而言，没有所有的碎片;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，以尽可能多地填写有关猫世界的信息。