科学家揭示了各种猫科动物分化的进化途径

德克萨斯农工大学兽医与生物医学科学学院（VMBS）的研究人员与一个多学科合作团队一起，在猫科动物的进化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，这项研究还揭示了猫的基因变异与重要生存技能之间的联系，例如猫用于探测猎物的高度嗅觉。

该项目最近发表在《自然-遗传学》（Nature Genetics）杂志上，通过比较多个猫科物种的基因组，研究人员了解到为什么猫科动物基因组中的复杂遗传变异（如DNA片段的重排）往往少于灵长类动物等其他哺乳动物群体。研究还揭示了猫的 DNA 中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，"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，创建更完整的猫基因组图谱。我们的发现将为研究猫科动物疾病、行为和保护的人们打开一扇大门，他们将更全面地了解使每种猫都独一无二的基因差异。"

主题变异

科学家们正试图更好地理解猫科动物的染色体--包含毛色、大小和感官能力等性状遗传信息的细胞结构--为什么比其他哺乳动物群体更加稳定。

墨菲说："我们早就知道，不同物种的猫科动物染色体非常相似。例如，狮子和家猫的染色体几乎没有什么不同。重复、重排和其他类型的变异似乎比类人猿中常见的要少得多。"

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。类人猿的基因组倾向于断裂和重新排列，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个体易患遗传病，如自闭症和其他神经系统疾病。

猫和猿之间的这种变异的关键似乎在于一种叫做片段重复的东西的频率--DNA片段是基因组中其他地方发现的其他DNA片段的高度相似的拷贝。

三重分选如何从 F1 杂交种中产生亲本物种基因组，左侧为进化时间刻度。资料来源：德克萨斯农工大学 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，染色体就越有可能重排等。"通过比较大量猫科动物的基因组，我们发现猫科动物的节段重复数量仅为其他哺乳动物的一小部分--实际上，灵长类动物的节段重复数量是猫科动物的七倍。这是一个很大的差别，现在我们相信我们理解了为什么猫的基因组更稳定。"

双螺旋中的一根针

虽然猫的 DNA 中可能没有那么多大规模的基因重排，但它们仍然有很多不同之处。通过研究，墨菲和他的同事们现在能更好地理解猫的 DNA 中哪些部分导致了这些变异，尤其是那些决定物种分化或物种间差异的变异。

墨菲说："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这里。事实上，在这个区域内有一个叫做 DXZ4 的特定重复元件，有证据告诉我们，它在很大程度上造成了至少两个猫科物种（家猫和丛林猫）的基因隔离。

DXZ4是墨菲所说的卫星重复基因--它不是一个编码毛色等物理性状的典型基因，而是X染色体三维结构的辅助基因，很可能在猫的物种分化中发挥了重要作用。

"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，我们可以更好地衡量 DXZ4 在一个物种中的进化速度。我们了解到，DXZ4是猫基因组中进化最快的部分之一；它的进化速度超过了基因组其他部分的99.5%。由于它的变异速度，我们能够证明为什么DXZ4很可能与物种分化有关。"

嗅出难以捉摸的基因

利用新的、高度详细的基因组序列，研究小组还发现了猫的嗅觉基因数量与社会行为变异以及猫与周围环境的关系之间更清晰的联系。

他说："由于猫是主要依靠嗅觉来发现猎物的捕食者，因此嗅觉是猫的重要组成部分。猫是一个非常多样化的家族，我们一直想了解基因变异是如何影响不同猫科动物在不同环境中的嗅觉能力的。狮子和老虎的某些气味基因在检测信息素方面存在很大差异，信息素是不同动物向环境释放的化学物质，用于传递有关身份、领地或危险的信息。我们认为，这种巨大差异与狮子是生活在家庭群体中的社会性很强的动物，而老虎则过着独居的生活方式有关。狮子可能会减少对信息素和其他气味的依赖，因为它们经常与其他狮子在一起，这反映在它们的基因组中这类基因较少。"

另一方面，老虎需要能够在非常大的领地内嗅到猎物的气味并找到配偶。家猫似乎失去了大量的嗅觉基因。如果它们因为与人生活在一起而不必走那么远的路去寻找它们需要的东西，那么自然选择不会保留这些基因也就说得通了。

墨菲分享说，他最喜欢的例子是渔猫的气味感受器，这是一种生活在东南亚的适应水生环境的野生猫科动物："我们能够证明，渔猫保留了许多检测水生气味的基因，这在陆生脊椎动物中是非常罕见的。随着时间的推移，所有其他猫科动物都失去了这些特定基因，但渔猫仍然拥有这些基因。"

关于猫的嗅觉基因的这些新信息是通过一种称为三重分选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难测序的区域进行测序。

这项新技术也使得母系和父系DNA的分离变得更加容易。

墨菲说："有了三重分选技术，你现在可以从F1杂交种（一种DNA由不同物种的亲本各占一半的动物）中提取DNA，然后干净利落地分离母本和父本DNA，得到两套完整的DNA，每种亲本各一套。过程简单得多，结果也更完整。"

填补空白

该项目得出的一个最重要的结论是，猫科动物在很多方面都很相似，但它们之间的差异也很重要。

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其自然环境的。它们是不能互换的，这对于保护主义者和其他致力于在自然栖息地保护或恢复物种的人来说是非常有价值的信息。例如，你不能认为苏门答腊和西伯利亚的老虎是一样的，它们所处的环境天差地别，这些老虎种群很可能已经形成了专门的遗传适应性，以帮助它们在这些截然不同的地方生存。"

同样重要的是，科学家们要认识到，基因组中最难组装的部分可能正是了解免疫和繁殖等关键身体系统的关键。

"嗅觉基因并不是唯一难以测序和研究的基因。科学家们在对免疫和生殖基因进行测序时也遇到了很多困难，因此以前的研究缺少这类信息。试想一下，如果不掌握所有的信息，就想研究猫、人类或任何物种的基因状况，这就是为什么组装完整的基因组非常重要。"

目前，墨菲和他的团队将继续把最先进的基因组测序和组装技术应用到猫的基因组中，以尽可能多地填补有关猫世界的信息。

编译自/ScitechDaily