基因组测序项目揭示了猫进化的新秘密 _基因组

图中描绘了三重装箱如何从F1杂交种中产生亲本物种基因组，左侧为进化时间尺度。资料来源：德克萨斯农工大学William Murphy博士及其同事
据德克萨斯A&M大学（考特尼·普莱斯）：德克萨斯A&M兽医和生物医学科学学院(VMBS)的研究人员和一个跨学科的合作者团队发现了关于猫进化史的新信息，解释了猫——包括狮子、老虎和家猫等知名物种——如何进化成不同的物种，并揭示了猫的不同基因变化如何与生存能力相关，如嗅猎物的能力。
通过比较几种猫的基因组，该项目今天发表在《自然遗传学》上，帮助研究人员理解了为什么猫的基因组比其他哺乳动物群体(如灵长类动物)更少复杂的遗传变异(如DNA片段的重排) 。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，以及猫物种之间特征差异的遗传基础， ”比尔·墨菲博士说，他是VMBS兽医综合生物科学教授，专门研究猫的进化。“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都独一无二的基因差异。”
主题变奏曲
科学家们试图更好地理解的事情之一是，为什么猫科动物的染色体——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。
墨菲说:“我们早就知道，不同物种的猫染色体非常相似。” 。“例如，狮子和家猫的染色体几乎没有什么不同。与类人猿中常见的情况相比，复制、重排和其他类型的变异似乎要少得多。”
在灵长类动物中，这种基因变异导致了不同物种的进化——包括人类和类人猿。
墨菲说:“类人猿的基因组往往会断裂和重排，甚至人类的基因组也有非常不稳定的区域。”“这些变异可能会使某些人倾向于患有遗传疾病，如自闭症和其他神经疾病。”
墨菲发现，猫和猿之间这种差异的关键似乎是所谓的片段复制的频率——DNA片段是基因组中其他地方发现的其他DNA片段的高度相似的副本。
“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。你的DNA中重复片段越多，染色体就越有可能重新排列，等等。
“我们通过比较大量猫物种的基因组发现，猫只有在其他哺乳动物群体中发现的片段重复的一小部分——灵长类动物实际上比猫多7倍。这是一个巨大的差异，现在我们相信我们理解了为什么猫的基因组更稳定，”他说。

比较灵长类动物和猫在进化时间尺度上某些基因变异数量的图表。致谢:德克萨斯A&M大学的威廉·莫菲博士及其同事
(双螺旋)中的针
虽然猫的DNA中可能没有那么多大的基因重组，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理解了猫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，大部分的基因重组都发生在这里，”墨菲说。“事实上，在这个区域内有一个叫做DXZ4的特定重复元素，证据告诉我们，这在很大程度上是至少两种猫物种的基因隔离的原因，家猫和丛林猫。”
DXZ4是墨菲所说的卫星重复——它不是编码皮毛颜色等物理特征的典型基因，而是帮助X染色体的三维结构，并可能在猫的物种形成中发挥重要作用。
“我们仍然不知道精确的机制，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；它的进化速度比其余99.5%的基因组都要快，”他解释道。
“由于它突变的速度，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
通过使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。
墨菲说:“因为猫是食肉动物，它们非常依赖嗅觉来发现猎物，所以它们的嗅觉是它们的一个非常重要的组成部分。”“猫是一个非常多样化的家庭，我们一直想了解基因变异如何在不同种类的猫在不同环境中的嗅觉能力中发挥作用。
“狮子和老虎在涉及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的化学物质，用于交流关于身份，领土或危险的信息，”他继续说道。
“我们认为这种巨大的差异与狮子是非常社会性的动物，生活在家庭群体中，而老虎过着独居的生活有关。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，老虎需要能够在很大的范围内嗅出猎物并寻找配偶。
“一般来说，老虎有大量的嗅觉和信息素受体， ”墨菲解释说。“我们认为这与它们领土的大小和它们生活环境的多样性直接相关。”
另一方面，家猫似乎失去了大范围的嗅觉基因。
他说，“如果它们不必走很远的路去寻找它们需要的东西，因为它们和人类生活在一起，自然选择不会保留那些基因是有道理的。”
墨菲分享说，他最喜欢的项目例子是捕鱼猫的气味受体，这是一种生活在东南亚的适应水生的野猫物种。
“我们能够表明，捕鱼猫保留了许多检测水传播气味的基因，这在陆生脊椎动物中是非常罕见的特征，”他说。“随着时间的推移，所有其他种类的猫都失去了这些特定的基因，但捕鱼猫仍然拥有它们。”
这种关于猫嗅觉基因的新信息是通过一种称为三重宁滨的基因组测序新方法实现的，这种方法允许研究人员对基因组中最困难的区域进行测序。
这项新技术也使得分离父母DNA变得更加容易。
墨菲说:“有了特里欧·宁滨，你现在可以从F1杂种中提取DNA——这种动物的DNA在不同物种的父母之间对半分割——并彻底分离父母DNA，给你两套完整的DNA，每个父母物种一套。”"过程更简单，结果更完整."
填空
该项目的最重要的结论之一是，猫的物种可能在许多方面相似，但它们的差异很重要。
墨菲说:“这些差异向我们展示了这些动物是如何完美地适应它们的自然环境的。”“它们是不可互换的，这对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的物种的人来说是有价值的信息。
“例如，你不能假设来自苏门答腊和西伯利亚的老虎是一样的，”他说。“它们的环境非常不同，这些老虎种群可能已经发展出专门的基因适应能力，以帮助它们在这些非常不同的地方生存。”
同样重要的是，科学家要认识到基因组中最难组装的部分可能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面临测序和研究挑战的基因。科学家们还努力对免疫和生殖基因进行测序，因此以前的研究缺少这类信息。想象一下，在没有所有部分的情况下，试图研究猫、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，以便尽可能多地填充关于猫的世界的信息。
这项研究是由德克萨斯A&M大学兽医综合生物科学VMBS教授比尔·墨菲和密苏里大学邦德生命科学中心基因组学教授韦斯·沃伦构思的。其他合作涉及来自华盛顿大学、都柏林大学学院、西雅图系统生物学研究所、路易斯安那州立大学和盖伊·哈维海洋学中心的研究人员。