Genomsequenzierungsprojekt enthüllt neue Geheimnisse über die Evolution der Katze

Forscher der Texas A&M School of Veterinary Medicine & Biomedical Sciences (VMBS) und ein interdisziplinäres Team von Mitarbeitern haben neue Informationen über die Geschichte der Katzenevolution entdeckt und erklären, wie sich Katzen – darunter bekannte Arten wie Löwen, Tiger und Hauskatzen – entwickelt haben in verschiedene Arten und wirft Licht darauf, wie sich unterschiedliche genetische Veränderungen bei Katzen auf Überlebensfähigkeiten wie die Fähigkeit, Beute zu riechen, auswirken.

Durch den Vergleich der Genome mehrerer Katzenarten konnte das Projekt heute veröffentlicht werden Naturgenetik, hat Forschern geholfen zu verstehen, warum Katzengenome tendenziell weniger komplexe genetische Variationen (z. B. Neuanordnungen von DNA-Segmenten) aufweisen als andere Säugetiergruppen, wie Primaten. Es lieferte auch neue Erkenntnisse darüber, welche Teile der Katzen-DNA sich am wahrscheinlichsten schnell entwickeln und welche Rolle sie bei der Artendifferenzierung spielen.

„Unser Ziel war es, besser zu verstehen, wie sich Katzen entwickelt haben und welche genetischen Grundlagen die Merkmalsunterschiede zwischen Katzenarten haben“, sagte Dr. Bill Murphy, ein VMBS-Professor für veterinärmedizinische integrative Biowissenschaften, der sich auf die Evolution von Katzen spezialisiert hat. „Wir wollten einige neue Technologien nutzen, die es uns ermöglichen, vollständigere genomische Karten von Katzen zu erstellen.

„Unsere Erkenntnisse werden Türen für Menschen öffnen, die sich mit Krankheiten, Verhalten und Schutz von Katzen befassen“, sagte er. „Sie werden mit einem umfassenderen Verständnis der genetischen Unterschiede arbeiten, die jeden Katzentyp einzigartig machen.“

Variationen zu einem Thema

Die Wissenschaftler versuchten unter anderem besser zu verstehen, warum Katzenchromosomen – zelluläre Strukturen, die die genetische Information für Merkmale wie Fellfarbe, Größe und sensorische Fähigkeiten enthalten – stabiler sind als bei anderen Säugetiergruppen.

„Wir wissen schon seit einiger Zeit, dass die Chromosomen von Katzen verschiedener Arten einander sehr ähnlich sind“, sagte Murphy. „Zum Beispiel unterscheiden sich die Chromosomen von Löwen und Hauskatzen kaum. Es scheint weit weniger Duplikationen, Neuanordnungen und andere Arten von Variationen zu geben, als es bei Menschenaffen üblich ist.“

In der Primatenordnung hat diese Art der genetischen Variation zur Evolution verschiedener Arten geführt – darunter Menschen und Menschenaffen.

„Die Genome der Menschenaffen neigen dazu, zu brechen und sich neu anzuordnen, und sogar menschliche Genome haben sehr instabile Regionen“, sagte Murphy. „Diese Variationen können dazu führen, dass bestimmte Personen an genetischen Erkrankungen wie Autismus und anderen neurologischen Störungen leiden.“

Der Schlüssel zu dieser Variation zwischen Katzen und Affen scheint, wie Murphy herausfand, in der Häufigkeit sogenannter segmentaler Duplikationen zu liegen – DNA-Segmente, die sehr ähnliche Kopien anderer DNA-Segmente sind, die an anderer Stelle im Genom vorkommen.

„Primatengenomforscher konnten diese segmentalen Duplikationen mit Chromosomenumlagerungen in Verbindung bringen“, sagte er. Je mehr segmentale Duplikationen Ihre DNA aufweist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich die Chromosomen neu anordnen und so weiter.

„Durch den Vergleich einer großen Anzahl von Genomen von Katzenarten haben wir herausgefunden, dass Katzen nur einen Bruchteil der segmentalen Duplikationen haben, die in anderen Säugetiergruppen gefunden werden – Primaten haben tatsächlich siebenmal mehr dieser Duplikationen als Katzen. Das ist ein großer Unterschied, und jetzt haben wir.“ Ich glaube, wir verstehen, warum Katzengenome stabiler sind“, sagte er.

Eine Nadel in einer (Doppel-)Helix

Auch wenn Katzen möglicherweise nicht so viele große genetische Veränderungen in ihrer DNA aufweisen, gibt es dennoch viele Unterschiede. Durch ihre Forschung verstehen Murphy und seine Kollegen nun besser, welche Teile der Katzen-DNA diese Variationen verursachen, insbesondere die Variationen, die die Artbildung oder die Unterschiede zwischen Arten definieren.

„Es stellt sich heraus, dass es eine große Region in der Mitte des X-Chromosoms gibt, in der die meisten genetischen Veränderungen stattfinden“, sagte Murphy. „Tatsächlich gibt es in dieser Region ein spezifisches sich wiederholendes Element namens DXZ4, von dem wir wissen, dass es weitgehend für die genetische Isolierung von mindestens zwei Katzenarten verantwortlich ist, der Haus- und der Dschungelkatze.“

DXZ4 ist das, was Murphy als Satellitenwiederholung bezeichnet – es ist kein typisches Gen, das für ein physisches Merkmal wie die Fellfarbe kodiert, sondern es hilft bei der dreidimensionalen Struktur des X-Chromosoms und spielte wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Artbildung von Katzen.

„Wir kennen den genauen Mechanismus immer noch nicht, aber durch den Vergleich all dieser Katzengenome können wir die Geschwindigkeit, mit der sich DXZ4 bei einer Art im Vergleich zu allen anderen entwickelte, besser messen. Was wir gelernt haben, ist, dass DXZ4 eines der schnellsten ist.“ Teile des Katzengenoms entwickeln sich schneller als 99,5 % des restlichen Genoms“, erklärte er.

„Aufgrund der Mutationsrate konnten wir zeigen, warum DXZ4 wahrscheinlich mit der Artbildung zusammenhängt“, sagte Murphy.

Aufspüren schwer fassbarer Gene

Mithilfe neuer, hochdetaillierter Genomsequenzen entdeckte das Team außerdem klarere Zusammenhänge zwischen der Anzahl der Geruchsgene, die die Geruchserkennung bei Katzen steuern, und der Variation im Sozialverhalten und wie sie sich auf ihre Umgebung beziehen.

„Da Katzen Raubtiere sind, die sich stark auf den Geruchssinn verlassen, um ihre Beute aufzuspüren, ist ihr Geruchssinn ein ziemlich wichtiger Teil ihrer Persönlichkeit“, sagte Murphy. „Katzen sind eine sehr vielfältige Familie und wir wollten schon immer verstehen, welche Rolle genetische Variation bei der Geruchsfähigkeit verschiedener Katzenarten in ihren unterschiedlichen Umgebungen spielt.

„Löwen und Tiger weisen einen ziemlich großen Unterschied zwischen bestimmten Geruchsgenen auf, die an der Erkennung von Pheromonen beteiligt sind. Dabei handelt es sich um Chemikalien, die verschiedene Tiere in die Umwelt abgeben, um Informationen über Identität, Territorium oder Gefahr zu übermitteln“, fuhr er fort.

„Wir glauben, dass der große Unterschied damit zusammenhängt, dass Löwen sehr soziale Tiere sind, die in Familiengruppen leben, und Tiger, die einen Einzelgängerlebensstil führen. Löwen sind möglicherweise weniger auf Pheromone und andere Geruchsstoffe angewiesen, weil sie ständig in der Nähe anderer Löwen sind, was sich in der geringeren Zahl davon widerspiegelt.“ Gene dieser Art in ihren Genomen“, sagte er.

Tiger hingegen müssen in der Lage sein, Beute in sehr großen Revieren zu riechen und Partner zu finden.

„Tiger verfügen im Allgemeinen über ein großes Riech- und Pheromonrezeptor-Repertoire“, erklärte Murphy. „Wir glauben, dass dies direkt mit der Größe ihres Territoriums und der Vielfalt der Umgebungen, in denen sie leben, zusammenhängt.“

Hauskatzen hingegen scheinen eine Vielzahl olfaktorischer Gene verloren zu haben.

„Wenn sie nicht so weit reisen müssen, um das zu finden, was sie brauchen, weil sie mit Menschen zusammenleben, macht es Sinn, dass die natürliche Selektion diese Gene nicht bewahren würde“, sagte er.

Murphy teilte mit, dass sein Lieblingsbeispiel aus dem Projekt die Geruchsrezeptoren der Fischkatze seien, einer aquatisch angepassten Wildkatzenart, die in Südostasien lebt.

„Wir konnten zeigen, dass Fischkatzen viele Gene für die Erkennung von Geruchsstoffen im Wasser behalten haben, was bei Landwirbeltieren eine ziemlich seltene Eigenschaft ist“, sagte er. „Alle anderen Katzenarten haben diese spezifischen Gene im Laufe der Zeit verloren, aber Fischerkatzen haben sie immer noch.“

Diese neuen Informationen über Geruchsgene bei Katzen wurden durch einen neuen Ansatz zur Genomsequenzierung namens Trio-Binning ermöglicht, der es Forschern ermöglicht, die schwierigsten Regionen eines Genoms zu sequenzieren.

Diese neue Technologie erleichtert auch die Trennung der mütterlichen und väterlichen DNA erheblich.

„Mit Trio-Binning können Sie jetzt DNA von einem F1-Hybrid nehmen – einem Tier, dessen DNA zu 50:50 zwischen Eltern verschiedener Arten aufgeteilt ist – und die mütterliche und väterliche DNA sauber trennen, sodass Sie zwei vollständige DNA-Sätze erhalten, einen für jeden.“ Elternart“, sagte Murphy. „Der Prozess ist viel einfacher und die Ergebnisse sind vollständiger.“

Lücken füllen

Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen des Projekts ist, dass Katzenarten in vielerlei Hinsicht ähnlich sein mögen, ihre Unterschiede jedoch von Bedeutung sind.

„Diese Unterschiede zeigen uns, wie perfekt diese Tiere für ihre natürliche Umgebung geeignet sind“, sagte Murphy. „Sie sind nicht austauschbar, und das sind wertvolle Informationen für Naturschützer und andere, die sich für den Erhalt oder die Wiederherstellung von Arten in ihren natürlichen Lebensräumen einsetzen.

„Man kann zum Beispiel nicht davon ausgehen, dass Tiger aus Sumatra und Sibirien gleich sind“, sagte er. „Ihre Lebensräume sind völlig unterschiedlich und diese Tigerpopulationen haben wahrscheinlich spezielle genetische Anpassungen entwickelt, die ihnen das Überleben an diesen sehr unterschiedlichen Orten erleichtern.“

Für Wissenschaftler ist es auch wichtig zu erkennen, dass die Abschnitte des Genoms, die am schwierigsten zusammenzusetzen sind, möglicherweise der Schlüssel zum Verständnis wichtiger Körpersysteme wie Immunität und Fortpflanzung sind.

„Geruchsgene sind nicht die einzigen, deren Sequenzierung und Untersuchung schwierig war. Wissenschaftler hatten auch Schwierigkeiten, Immun- und Fortpflanzungsgene zu sequenzieren, daher fehlten früheren Studien diese Art von Informationen. Stellen Sie sich vor, Sie würden versuchen, eine genetische Erkrankung bei Katzen oder Menschen zu untersuchen.“ , oder jede andere Art, ohne alle Teile zu haben; deshalb ist es wichtig, vollständige Genome zusammenzusetzen“, sagte Murphy.

Vorerst werden Murphy und sein Team weiterhin die fortschrittlichsten Genomsequenzierungs- und Assemblierungstechnologien auf Katzengenome anwenden, um so viele Informationen wie möglich über die Welt der Katzen zu liefern.

Die Studie wurde von Bill Murphy – VMBS-Professor für veterinärmedizinische integrative Biowissenschaften an der Texas A&M – und Wes Warren – Professor für Genomik am Bond Life Sciences Center an der University of Missouri – konzipiert. An weiteren Kooperationen waren Forscher der University of Washington, des University College Dublin, des Institute for Systems Biology in Seattle, der Louisiana State University und des Guy Harvey Oceanographic Center beteiligt.