德州農工大學獸醫與生物醫學科學學院（VMBS）的研究人員與一個多學科合作團隊一起，在貓科動物的進化史方面取得了重大發現。他們的研究結果揭示了包括獅子、老虎和家貓在內的各種貓科動物分化的發展途徑。此外，這項研究還揭示了貓的基因變異與重要生存技能之間的聯繫，例如貓用於探測獵物的高度嗅覺。

該計畫最近發表在《自然-遺傳學》（Nature Genetics）雜誌上，透過比較多個貓科物種的基因組，研究人員了解為什麼貓科動物基因組中的複雜遺傳變異（如DNA片段的重排）往往少於靈長類等其他哺乳動物群體。研究還揭示了貓的DNA 中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，以及貓物種之間性狀差異的遺傳基礎，」專門研究貓進化的VMBS 獸醫綜合生物科學教授Bill Murphy 博士說。”我們希望利用一些新技術，創建更完整的貓基因組圖譜。我們的發現將為研究貓科動物疾病、行為和保護的人們打開一扇大門，他們將更全面地了解使每種貓都獨一無二的基因差異。”

主題變異

科學家正試圖更理解貓科動物的染色體–包含毛色、大小和感官能力等性狀遺傳訊息的細胞結構–為什麼比其他哺乳動物群體更穩定。

墨菲說：『我們早就知道，不同物種的貓科動物染色體非常相似。例如，獅子和家貓的染色體幾乎沒有什麼不同。重複、重排和其他類型的變異似乎比類人猿中常見的要少得多。”

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。類人猿的基因組傾向於斷裂和重新排列，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個體容易罹患遺傳疾病，如自閉症和其他神經系統疾病。

貓和猿之間的這種變異的關鍵似乎在於一種稱為片段重複的東西的頻率–DNA片段是基因組中其他地方發現的其他DNA片段的高度相似的拷貝。

三重分選如何從F1 雜交種產生親代物種基因組，左側為演化時間刻度。資料來源：德州農工大學William Murphy 博士及其同事

“靈長類動物基因組研究人員已經能夠將這些節段重複與染色體重排聯繫起來，」他說。DNA中的片段重複越多，染色體就越有可能重排等。”透過比較大量貓科動物的基因組，我們發現貓科動物的節段重複數量僅為其他哺乳動物的一小部分–實際上，靈長類動物的節段重複數量是貓科動物的七倍。這是一個很大的差別，現在我們相信我們理解了為什麼貓的基因組更穩定。”

雙螺旋中的一根針

雖然貓的DNA 中可能沒有那麼多大規模的基因重排，但它們仍然有很多不同之處。透過研究，墨菲和他的同事現在更能理解貓的DNA 中哪些部分導致了這些變異，尤其是那些決定物種分化或物種間差異的變異。

墨菲說：「事實證明，X 染色體中心有一個很大的區域，大部分基因重排都發生在這裡。事實上，在這個區域內有一個叫做DXZ4 的特定重複元件，有證據告訴我們，它在很大程度上造成了至少兩個貓科物種（家貓和叢林貓）的基因隔離。

DXZ4是墨菲所說的衛星重複基因–它不是一個編碼毛色等物理性狀的典型基因，而是X染色體三維結構的輔助基因，很可能在貓的物種分化中發揮了重要作用。

「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，我們可以更好地衡量DXZ4 在一個物種中的進化速度。我們了解到，DXZ4是貓基因組中進化最快的部分之一；它的演化速度超過了基因組其他部分的99.5%。由於它的變異速度，我們能夠證明為什麼DXZ4很可能與物種分化有關。”

嗅出難以捉摸的基因

利用新的、高度詳細的基因組序列，研究小組還發現了貓的嗅覺基因數量與社會行為變異以及貓與周圍環境的關係之間更清晰的關聯。

他說：”由於貓是主要依靠嗅覺來發現獵物的捕食者，因此嗅覺是貓的重要組成部分。貓是一個非常多樣化的家族，我們一直想了解基因變異如何影響不同貓科動物在不同環境中的嗅覺能力的。獅子和老虎的某些氣味基因在檢測信息素方面存在很大差異，信息素是不同動物向環境釋放的化學物質，用於傳遞有關身份、領地或危險的信息。我們認為，這種巨大差異與獅子是生活在家庭群體中的社會性很強的動物，而老虎則過著獨居的生活方式有關。獅子可能會減少對費洛蒙和其他氣味的依賴，因為它們經常與其他獅子在一起，這反映在它們的基因組中這類基因較少。”

另一方面，老虎需要能夠在非常大的領地內嗅到獵物的氣味並找到配偶。家貓似乎失去了大量的嗅覺基因。如果它們因為與人生活在一起而不必走那麼遠的路去尋找它們需要的東西，那麼自然選擇不會保留這些基因也就說得通了。

墨菲分享說，他最喜歡的例子是漁貓的氣味感受器，這是一種生活在東南亞的適應水生環境的野生貓科動物：”我們能夠證明，漁貓保留了許多檢測水生氣味的基因，這在陸生脊椎動物中是非常罕見的。隨著時間的推移，所有其他貓科動物都失去了這些特定基因，但漁貓仍然擁有這些基因。”

關於貓的嗅覺基因的這些新資訊是透過一種稱為三重分選的基因組定序新方法實現的，這種方法允許研究人員對基因組中最難測序的區域進行測序。

這項新技術也使得母系和父系DNA的分離變得更加容易。

墨菲說：『有了三重分選技術，你現在可以從F1雜交種（一種DNA由不同物種的親本各佔一半的動物）中提取DNA，然後乾淨利落地分離母本和父本DNA，得到兩套完整的DNA，每種親本各一套。過程簡單得多，結果也更完整。”

填補空白

這個計畫得出的一個最重要的結論是，貓科動物在許多方面都很相似，但它們之間的差異也很重要。

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其自然環境的。它們是不能互換的，這對於保護主義者和其他致力於在自然棲息地保護或恢復物種的人來說是非常有價值的資訊。例如，你不能認為蘇門答臘和西伯利亞的老虎是一樣的，它們所處的環境天差地別，這些老虎種群很可能已經形成了專門的遺傳適應性，以幫助它們在這些截然不同的地方生存。”

同樣重要的是，科學家們要認識到，基因組中最難組裝的部分可能正是了解免疫和繁殖等關鍵身體系統的關鍵。

「嗅覺基因並不是唯一難以定序和研究的基因。科學家在對免疫和生殖基因進行測序時也遇到了很多困難，因此以前的研究缺少這類信息。試想一下，如果不掌握所有的信息，就想研究貓、人類或任何物種的基因狀況，這就是為什麼組裝完整的基因組非常重要。”

目前，墨菲和他的團隊將繼續把最先進的基因組定序和組裝技術應用到貓的基因組中，以盡可能填補有關貓世界的資訊。

編譯自/ ScitechDaily