圖中描繪了三重裝箱如何從F1雜交種中產生親本物種基因組，左側為進化時間尺度。資料來源：uux.cn/德克薩斯農工大學William Murphy博士及其同事
（神秘的地球uux.cn）據德克薩斯A&M大學（考特尼·普萊斯）：德克薩斯A&M獸醫和生物醫學科學學院(VMBS)的研究人員和一個跨學科的合作者團隊發現了關於貓進化史的新信息，解釋了貓——包括獅子、老虎和家貓等知名物種——如何進化成不同的物種，並揭示了貓的不同基因變化如何與生存能力相關，如嗅獵物的能力。
通過比較幾種貓的基因組，該項目今天發表在《自然遺傳學》上，幫助研究人員理解了為什麽貓的基因組比其他哺乳動物群體(如靈長類動物)更少複雜的遺傳變異(如DNA片段的重排)。它還揭示了貓DNA的哪些部分最有可能快速進化，以及它們如何在物種分化中發揮作用的新見解。
“我們的目標是更好地了解貓是如何進化的，以及貓物種之間特征差異的遺傳基礎，”比爾·墨菲博士說，他是VMBS獸醫綜合生物科學教授，專門研究貓的進化。“我們希望利用一些新技術來創建更完整的貓基因組圖譜。
“我們的發現將為人們研究貓科疾病、行為和保護打開大門，”他說。“他們將更全麵地了解使每種貓都獨一無二的基因差異。”
主題變奏曲
科學家們試圖更好地理解的事情之一是，為什麽貓科動物的染色體——包含皮毛顏色、大小和感覺能力等特征的遺傳信息的細胞結構——比其他哺乳動物群體更穩定。
墨菲說:“我們早就知道，不同物種的貓染色體非常相似。”。“例如，獅子和家貓的染色體幾乎沒有什麽不同。與類人猿中常見的情況相比，複製、重排和其他類型的變異似乎要少得多。”
在靈長類動物中，這種基因變異導致了不同物種的進化——包括人類和類人猿。
墨菲說:“類人猿的基因組往往會斷裂和重排，甚至人類的基因組也有非常不穩定的區域。”“這些變異可能會使某些人傾向於患有遺傳疾病，如自閉症和其他神經疾病。”
墨菲發現，貓和猿之間這種差異的關鍵似乎是所謂的片段複製的頻率——DNA片段是基因組中其他地方發現的其他DNA片段的高度相似的副本。
“靈長類基因組研究人員已經能夠將這些片段重複與染色體重排聯係起來，”他說。你的DNA中重複片段越多，染色體就越有可能重新排列，等等。
“我們通過比較大量貓物種的基因組發現，貓隻有在其他哺乳動物群體中發現的片段重複的一小部分——靈長類動物實際上比貓多7倍。這是一個巨大的差異，現在我們相信我們理解了為什麽貓的基因組更穩定，”他說。

比較靈長類動物和貓在進化時間尺度上某些基因變異數量的圖表。致謝:uux.cn/德克薩斯A&M大學的威廉·莫菲博士及其同事
(雙螺旋)中的針
雖然貓的DNA中可能沒有那麽多大的基因重組，但它們仍然有很多差異。通過他們的研究，墨菲和他的同事現在更好地理解了貓DNA的哪些部分導致了這些變異，特別是定義物種形成的變異，或物種之間的差異。
“事實證明，在X染色體的中心有一個很大的區域，大部分的基因重組都發生在這裏，”墨菲說。“事實上，在這個區域內有一個叫做DXZ4的特定重複元素，證據告訴我們，這在很大程度上是至少兩種貓物種的基因隔離的原因，家貓和叢林貓。”
DXZ4是墨菲所說的衛星重複——它不是編碼皮毛顏色等物理特征的典型基因，而是幫助X染色體的三維結構，並可能在貓的物種形成中發揮重要作用。
“我們仍然不知道精確的機製，但通過比較所有這些貓的基因組，我們可以更好地測量DXZ4在一個物種中相對於所有其他物種的進化速度。我們了解到，DXZ4是貓基因組中進化最快的部分之一；它的進化速度比其餘99.5%的基因組都要快，”他解釋道。
“由於它突變的速度，我們能夠證明為什麽DXZ4可能與物種形成有關，”墨菲說。
嗅出難以捉摸的基因
通過使用新的高度詳細的基因組序列，研究小組還發現了嗅覺基因數量之間更清晰的聯係，這些基因控製著貓的氣味檢測和社會行為的變化以及它們與周圍環境的關係。
墨菲說:“因為貓是食肉動物，它們非常依賴嗅覺來發現獵物，所以它們的嗅覺是它們的一個非常重要的組成部分。”“貓是一個非常多樣化的家庭，我們一直想了解基因變異如何在不同種類的貓在不同環境中的嗅覺能力中發揮作用。
“獅子和老虎在涉及檢測信息素的某些氣味基因之間有很大的差異，信息素是不同動物釋放到環境中的化學物質，用於交流關於身份，領土或危險的信息，”他繼續說道。
“我們認為這種巨大的差異與獅子是非常社會性的動物，生活在家庭群體中，而老虎過著獨居的生活有關。獅子對信息素和其他氣味的依賴可能會減少，因為它們經常在其他獅子周圍，這反映在它們基因組中這種類型的基因較少，”他說。
另一方麵，老虎需要能夠在很大的範圍內嗅出獵物並尋找配偶。
“一般來說，老虎有大量的嗅覺和信息素受體，”墨菲解釋說。“我們認為這與它們領土的大小和它們生活環境的多樣性直接相關。”
另一方麵，家貓似乎失去了大範圍的嗅覺基因。
他說，“如果它們不必走很遠的路去尋找它們需要的東西，因為它們和人類生活在一起，自然選擇不會保留那些基因是有道理的。”
墨菲分享說，他最喜歡的項目例子是捕魚貓的氣味受體，這是一種生活在東南亞的適應水生的野貓物種。
“我們能夠表明，捕魚貓保留了許多檢測水傳播氣味的基因，這在陸生脊椎動物中是非常罕見的特征，”他說。“隨著時間的推移，所有其他種類的貓都失去了這些特定的基因，但捕魚貓仍然擁有它們。”
這種關於貓嗅覺基因的新信息是通過一種稱為三重寧濱的基因組測序新方法實現的，這種方法允許研究人員對基因組中最困難的區域進行測序。
這項新技術也使得分離父母DNA變得更加容易。
墨菲說:“有了特裏歐·寧濱，你現在可以從F1雜種中提取DNA——這種動物的DNA在不同物種的父母之間對半分割——並徹底分離父母DNA，給你兩套完整的DNA，每個父母物種一套。”"過程更簡單，結果更完整."
填空
該項目的最重要的結論之一是，貓的物種可能在許多方麵相似，但它們的差異很重要。
墨菲說:“這些差異向我們展示了這些動物是如何完美地適應它們的自然環境的。”“它們是不可互換的，這對自然資源保護主義者和其他致力於保護或恢複自然棲息地的物種的人來說是有價值的信息。
“例如，你不能假設來自蘇門答臘和西伯利亞的老虎是一樣的，”他說。“它們的環境非常不同，這些老虎種群可能已經發展出專門的基因適應能力，以幫助它們在這些非常不同的地方生存。”
同樣重要的是，科學家要認識到基因組中最難組裝的部分可能是理解免疫和生殖等關鍵身體係統的關鍵。
“嗅覺基因並不是唯一麵臨測序和研究挑戰的基因。科學家們還努力對免疫和生殖基因進行測序，因此以前的研究缺少這類信息。想象一下，在沒有所有部分的情況下，試圖研究貓、人類或任何物種的遺傳狀況；這就是為什麽組裝完整的基因組很重要，”墨菲說。
目前，墨菲和他的團隊將繼續將最先進的基因組測序和組裝技術應用於貓的基因組，以便盡可能多地填充關於貓的世界的信息。
這項研究是由德克薩斯A&M大學獸醫綜合生物科學VMBS教授比爾·墨菲和密蘇裏大學邦德生命科學中心基因組學教授韋斯·沃倫構思的。其他合作涉及來自華盛頓大學、都柏林大學學院、西雅圖係統生物學研究所、路易斯安那州立大學和蓋伊·哈維海洋學中心的研究人員。

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