德州農工大學獸醫與生物醫學學院 (VMBS) 的研究人員和一個跨學科合作團隊發現了有關貓進化史的新信息，解釋了貓（包括獅子、老虎和家貓等知名物種）如何進化不同的物種，並揭示貓的不同基因變化如何與生存能力（如嗅覺獵物的能力）相關。
透過比較幾種貓科動物的基因組，該計畫今天發表在自然遺傳學，幫助研究人員理解為什麼貓的基因組往往比其他哺乳動物群體（如靈長類）具有更少的複雜遺傳變異（例如 DNA 片段的重排）。 它還揭示了關於貓 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。
“我們的目標是更了解如何VMBS 獸醫綜合生物科學教授、專門研究貓進化的 Bill Murphy 博士說：「我們希望利用一些新技術，讓我們能夠創造出更完整的物種。」貓基因組圖譜。
「我們的發現將為人們研究貓科動物疾病、行為和保護打開大門，」他說。 “他們將更全面地了解使每種貓獨一無二的基因差異。”
主題的變體
科學家試圖更好地理解為什麼貓科動物染色體（含有染色體的細胞結構）毛皮顏色、大小和感官能力等特徵比其他哺乳動物群體更穩定。
「我們已經知道跨物種的貓染色體彼此非常相似，」墨菲說。 「例如，獅子的染色體和幾乎沒有什麼不同。 與類人猿中常見的情況相比，重複、重排和其他類型的變異似乎要少得多。
在靈長類動物中，這種遺傳變異導致了不同物種的進化，包括人類和類人猿。
「類人猿基因組往往會斷裂和重新排列，甚至人類基因組也有非常不穩定的區域，」墨菲說。 “這些變異可能會使某些人容易患有遺傳性疾病，例如自閉症和其他神經系統疾病。”
正如墨菲所發現的那樣，貓和猿之間這種差異的關鍵似乎是所謂的「片段重複」的頻率，即 DNA 片段與在其他地方發現的其他 DNA 片段高度相似的副本。。
「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繫起來，」他說。 DNA 中的片段重複越多，染色體重新排列的可能性就越大，等等。
「透過比較大量貓科動物的基因組，我們發現貓只具有其他哺乳動物群體中發現的片段重複的一小部分——靈長類動物的這些重複實際上是貓的七倍。這是一個很大的差異，現在我們相信我們理解為什麼貓的基因組更穩定，」他說。
（雙）螺旋中的針
雖然貓的 DNA 中可能沒有那麼多大的基因重排，但它們仍然有很多差異。 透過他們的研究，墨菲和他的同事現在更了解了貓 DNA 的哪些部分導致了這些變異，尤其是定義物種形成或物種之間差異的變異。
墨菲說：“事實證明，X 染色體中心有一個很大的區域，大部分基因重排都在那裡發生。” 「事實上，這個區域中有一個名為 DXZ4 的特定重複元件，證據告訴我們，它在很大程度上導致了至少兩種貓科動物（家貓和叢林貓）的基因隔離。”
DXZ4 就是墨菲所說的衛星重複序列，它不是編碼毛皮顏色等物理特徵的典型基因，而是有助於 X 染色體的三維結構，並且可能在貓的物種形成中發揮了重要作用。
「我們仍然不知道確切的機制，但透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進化的速率。我們了解到，DXZ4 是進化最快的物種之一。
「由於它的突變速度，我們能夠證明為什麼 DXZ4 可能與物種形成有關，」墨菲說。
嗅出難以捉摸的基因
利用新的、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繫，這些基因控制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：“由於貓是捕食者，它們嚴重依賴嗅覺來發現獵物，因此它們的嗅覺是它們的重要組成部分。” 「貓是一個非常多樣化的家族，我們一直想了解遺傳變異如何在不同貓科動物的嗅覺能力中發揮作用。。
「獅子和老虎在某些涉及檢測信息素的氣味基因之間存在很大差異，信息素是不同動物釋放到環境中以傳達有關身份、領地或危險信息的化學物質，」他繼續說道。
「我們認為，巨大的差異與獅子是非常群居的動物，生活在家庭群體中，而老虎則過著獨居的生活方式。獅子對費洛蒙和其他氣味劑的依賴可能會減少，因為它們經常和其他獅子在一起，這反映在較少的獅子身上。
另一方面，老虎需要能夠在非常大的領地範圍內聞到獵物的氣味並尋找配偶。
「一般來說，老虎擁有大量的嗅覺和費洛蒙受體庫，」墨菲解釋。 “我們認為這與它們的領地大小和生活環境的多樣性直接相關。”
另一方面，家貓似乎失去了多種嗅覺基因。
他說：“如果它們因為與人類一起生活而不必長途跋涉去尋找所需的東西，那麼自然選擇不會保留這些基因是有道理的。”
墨菲分享說，該計畫中他最喜歡的例子是漁貓的氣味受體，漁貓是一種生活在東南亞的水生野生貓科動物。
他說：“我們能夠證明，漁貓保留了許多檢測水生氣味的基因，這在陸地脊椎動物中是相當罕見的特徵。” “隨著時間的推移，所有其他貓科動物都失去了這些特定的基因，但漁貓仍然擁有它們。”
有關貓嗅覺基因的新資訊是透過一種新方法獲得的稱為三重分箱，它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母本 DNA 和父本 DNA 變得更加容易。
「透過三重分箱，您現在可以從F1 雜交動物（一種其DNA 在不同物種的親本之間進行50-50 分割的動物）中獲取DNA，並乾淨地分離母本和父本DNA，從而為您提供兩套完整的DNA，每組一套親本物種，」墨菲說。 “過程更簡單，結果更完整。”
填空
這個計畫最重要的結論之一是貓科動物可能在許多方面相似，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如何完美地適應它們的自然環境。” 「它們不可互換，這對於自然資源保護主義者和其他致力於保護或恢復自然棲息地物種的人來說是有價值的資訊。
「例如，你不能假設蘇門答臘島和西伯利亞的老虎是一樣的，」他說。 “它們的環境截然不同，這些老虎種群可能已經發展出專門的基因適應能力，以幫助它們在這些截然不同的地方生存。”
對科學家來說，認識最難組裝的基因組部分可能正是理解免疫和生殖等重要身體系統的關鍵，這一點也很重要。
「嗅覺基因並不是唯一難以定序和研究的基因。科學家也一直在努力對免疫和生殖基因進行定序，因此先前的研究缺少此類資訊。想像一下嘗試研究貓、人類的遺傳狀況，或任何，就此而言，並沒有所有的碎片； 這就是為什麼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定序和組裝技術應用於貓的基因組，以盡可能填充有關貓的世界的信息。
這項研究是由德州農工大學 VMBS 獸醫綜合生物科學教授 Bill Murphy 和密蘇里大學邦德生命科學中心基因組學教授 Wes Warren 提出的。 其他合作涉及華盛頓大學、都柏林大學學院、西雅圖系統生物學研究所、路易斯安那州立大學和蓋伊哈維海洋學中心的研究人員。
