Nowe badania prowadzone przez naukowców z Texas A&M University i University of Missouri wyjaśniają, w jaki sposób koty, w tym koty domowe, lwy, tygrysy, koty Geoffroya i lamparty azjatyckie, ewoluowały w różne gatunki i rzucają światło na związek różnych zmian genetycznych u kotów z zdolnościami przetrwania jak zdolność wyczuwania ofiary.

Tygrys (Pantera tygrysia). Źródło zdjęcia: Chiem Seherin.

„Naszym celem było lepsze zrozumienie ewolucji kotów i podstaw genetycznych różnic między gatunkami kotów” – powiedział profesor Bill Murphy, badacz z Texas A&M University.

„Chcieliśmy skorzystać z nowych technologii, które pozwolą nam stworzyć pełniejsze mapy genomu kotów”.

Profesor Murphy wraz ze współpracownikami próbował między innymi lepiej zrozumieć, dlaczego chromosomy kotów – struktury komórkowe zawierające informację genetyczną dotyczącą takich cech, jak kolor futra, rozmiar i zdolności sensoryczne – są bardziej stabilne niż u innych grup ssaków.

„Od jakiegoś czasu wiemy, że chromosomy kotów różnych gatunków są do siebie bardzo podobne. Na przykład chromosomy lwów i kotów domowych prawie wcale się nie różnią” – powiedział profesor Murphy.

„Wydaje się, że istnieje znacznie mniej duplikacji, przegrupowań i innych rodzajów zmienności niż te powszechnie spotykane u małp człekokształtnych”.

W porządku naczelnych tego rodzaju zmienność genetyczna doprowadziła do ewolucji różnych gatunków, w tym ludzi i wielkich małp człekokształtnych.

„Genomy małp człekokształtnych mają tendencję do pękania i zmiany układu, a nawet genomy ludzkie mają bardzo niestabilne regiony. Różnice te mogą predysponować niektóre osoby do chorób genetycznych, takich jak autyzm i inne zaburzenia neurologiczne” – stwierdził profesor Murphy.

Kluczem do tej różnicy między kotami i małpami wydaje się być częstotliwość tak zwanej duplikacji segmentowej.

„Badaczom genomu naczelnych udało się powiązać te segmentowe duplikacje z rearanżacjami chromosomów. Im więcej segmentowych duplikacji masz w swoim DNA, tym większe prawdopodobieństwo, że chromosomy ulegną zmianie itp.” – powiedział profesor Murphy.

„Porównując dużą liczbę genomów gatunków kotów, odkryliśmy, że u kotów występuje zaledwie ułamek segmentowych duplikacji występujących u innych grup ssaków – w rzeczywistości naczelne mają siedem razy więcej tych duplikacji niż koty. To duża różnica i teraz wierzymy, że rozumiemy, dlaczego genomy kotów są bardziej stabilne”.

Chociaż koty mogą nie mieć tak wielu dużych zmian genetycznych w swoim DNA, nadal istnieje między nimi wiele różnic.

Dzięki swoim badaniom autorzy lepiej rozumieją, które części kociego DNA powodują te różnice, zwłaszcza te, które definiują specjację, czyli różnice między gatunkami.

„Okazuje się, że w centrum chromosomu X znajduje się duży obszar, w którym zachodzi większość rearanżacji genetycznych” – powiedział profesor Murphy.

„W rzeczywistości istnieje jeden specyficzny, powtarzalny element w tym regionie, zwany DXZ4 dowody mówią nam, że jest w dużej mierze odpowiedzialny za izolację genetyczną co najmniej dwóch gatunków kotów, kota domowego i kota dżungli”.

DXZ4 jest powtórzeniem satelitarnym; nie jest to typowy gen, który koduje cechę fizyczną, taką jak kolor futra, ale raczej pomaga w trójwymiarowej strukturze chromosomu X i prawdopodobnie odegrał ważną rolę w specjacji kotów.

„Nadal nie znamy dokładnego mechanizmu, ale porównując genomy wszystkich kotów, możemy lepiej zmierzyć tempo, w jakim DXZ4 wyewoluowały u jednego gatunku w porównaniu do wszystkich pozostałych. Dowiedzieliśmy się tyle DXZ4 jest jedną z najszybciej rozwijających się części genomu kota; ewoluuje szybciej niż 99,5% reszty genomu” – powiedział profesor Murphy.

„Ze względu na tempo mutacji byliśmy w stanie wykazać, dlaczego DXZ4 jest prawdopodobnie powiązany ze specjacją.”

Wykorzystując nowe, bardzo szczegółowe sekwencje genomu, profesor Murphy i współautorzy odkryli także wyraźniejsze powiązania między liczbą genów węchowych, które regulują wykrywanie zapachu u kotów a zróżnicowaniem zachowań społecznych i ich relacji z otoczeniem.

„Ponieważ koty są drapieżnikami, które wykrywają swoją ofiarę w dużym stopniu na podstawie węchu, ich węch jest dość ważną częścią tego, kim są” – powiedział profesor Murphy.

„Koty to bardzo zróżnicowana rodzina i zawsze chcieliśmy zrozumieć, jaką rolę odgrywa zmienność genetyczna w zdolności różnych gatunków kotów do węchu w różnych środowiskach”.

„Lwy i tygrysy mają dość dużą różnicę między niektórymi genami zapachowymi zaangażowanymi w wykrywanie feromonów, czyli substancji chemicznych uwalnianych przez różne zwierzęta do środowiska w celu przekazania informacji o tożsamości, terytorium lub niebezpieczeństwie”.

„Uważamy, że duża różnica ma związek z tym, że lwy są zwierzętami bardzo towarzyskimi żyjącymi w grupach rodzinnych, a tygrysy prowadzące samotny tryb życia. Lwy mogą w mniejszym stopniu polegać na feromonach i innych substancjach zapachowych, ponieważ stale przebywają w pobliżu innych lwów, co znajduje odzwierciedlenie w mniejszej liczbie genów tego typu w ich genomach”.

„Z drugiej strony tygrysy muszą być w stanie wyczuć ofiarę na bardzo dużych terytoriach, a także znaleźć partnerów”.

„Tygrysy, ogólnie rzecz biorąc, mają szeroki repertuar receptorów węchowych i feromonowych. Uważamy, że jest to bezpośrednio powiązane z wielkością ich terytoriów i różnorodnością środowisk, w których żyją”.

„Z drugiej strony wydaje się, że koty domowe utraciły wiele genów węchowych”.

„Jeśli nie muszą podróżować tak daleko, aby znaleźć to, czego potrzebują, ponieważ żyją z ludźmi, logiczne jest, że dobór naturalny nie zachowa tych genów”.

Jeden z najbardziej ważny wnioski z tego badania są takie, że gatunki kotów mogą być podobne pod wieloma względami, ale różnice między nimi mają znaczenie.

„Te różnice pokazują nam, jak te zwierzęta doskonale nadają się do swojego naturalnego środowiska” – powiedział profesor Murphy.

„Nie można ich stosować wymiennie, a to cenna informacja dla ekologów i innych osób pracujących nad ochroną lub przywracaniem gatunków w ich naturalnych siedliskach”.

Wyniki opublikowano 2 listopada 2023 roku w czasopiśmie Genetyka natury.

_____

KR Bredemeyera i in. Genomika porównawcza pojedynczego haplotypu zapewnia wgląd w specyficzne dla linii zmienności strukturalne podczas ewolucji kotów. Nat Genet, opublikowano w Internecie 2 listopada 2023 r.; doi: 10.1038/s41588-023-01548-y