Il sequenziamento del genoma svela nuovi segreti sull’evoluzione del gatto

 

I ricercatori della Texas A&M School of Veterinary Medicine & Biomedical Sciences (VMBS) e un team interdisciplinare di collaboratori hanno scoperto nuove informazioni sulla storia dell’evoluzione dei gatti, spiegando come i felini, comprese specie ben note come leoni, tigri e gatti domestici, si sono evoluti in specie diverse e facendo luce su come i diversi cambiamenti genetici nei gatti siano correlati alle capacità di sopravvivenza, come la capacità di annusare le prede.

 

I ricercatori della Texas A&M School of Veterinary Medicine & Biomedical Sciences (VMBS) e un team interdisciplinare di collaboratori hanno scoperto nuove informazioni sulla storia dell’evoluzione dei gatti, spiegando come i felini, comprese specie ben note come leoni, tigri e gatti domestici, si sono evoluti in specie diverse e facendo luce su come i diversi cambiamenti genetici nei gatti siano correlati alle capacità di sopravvivenza, come la capacità di annusare le prede.

Confrontando i genomi di diverse specie di gatti, il progetto, pubblicato su Nature Genetics, ha aiutato i ricercatori a capire perché i genomi dei gatti tendono ad avere meno variazioni genetiche complesse (come i riarrangiamenti di segmenti di DNA) rispetto ad altri gruppi di mammiferi, come i primati.

Ha anche rivelato nuove informazioni su quali parti del DNA del gatto hanno maggiori probabilità di evolversi rapidamente e su come svolgono un ruolo nella differenziazione delle specie.

“Il nostro obiettivo era quello di capire meglio come si sono evoluti i gatti e le basi genetiche delle differenze di tratto tra le specie di gatti”, ha detto il dottor Bill Murphy, professore di bioscienze veterinarie integrative del VMBS specializzato nell’evoluzione dei gatti.

“Volevamo sfruttare alcune nuove tecnologie che ci permettono di creare mappe genomiche feline più complete.

“I nostri risultati apriranno le porte alle persone che studiano le malattie, il comportamento e la conservazione dei felini”, ha detto. “Lavoreranno con una comprensione più completa delle differenze genetiche che rendono unico ogni tipo di gatto”.

Tra le cose che gli scienziati stavano cercando di capire meglio c’è il motivo per cui i cromosomi felini – strutture cellulari contenenti le informazioni genetiche per tratti come il colore della pelliccia, le dimensioni e le capacità sensoriali – sono più stabili rispetto ad altri gruppi di mammiferi.

“Sappiamo da un po’ di tempo che i cromosomi dei gatti sono molto simili tra loro”, ha detto Murphy.

“Ad esempio, i cromosomi dei leoni e dei gatti domestici non differiscono quasi per niente. Sembra che ci siano molte meno duplicazioni, riarrangiamenti e altri tipi di variazioni rispetto a quelle che si trovano comunemente nelle grandi scimmie”.

Nell’ordine dei primati, questo tipo di variazione genetica ha portato all’evoluzione di diverse specie, tra cui gli esseri umani e le grandi scimmie.

“I genomi delle grandi scimmie tendono a rompersi e a riorganizzarsi, e anche i genomi umani hanno regioni molto instabili”, ha detto Murphy.

“Queste variazioni possono predisporre alcuni individui ad avere condizioni genetiche, come l’autismo e altri disturbi neurologici”.

La chiave di questa variazione tra gatti e scimmie, come ha scoperto Murphy, sembra essere la frequenza di qualcosa chiamato duplicazioni segmentali, segmenti di DNA che sono copie molto simili di altri segmenti di DNA che si trovano altrove nel genoma.

“I ricercatori del genoma dei primati sono stati in grado di collegare queste duplicazioni segmentali ai riarrangiamenti cromosomici”, ha detto.

Maggiore è il numero di duplicazioni segmentali presenti nel DNA, maggiore è la probabilità che i cromosomi si riorganizzino e così via.

“Quello che abbiamo scoperto confrontando un gran numero di genomi di specie feline è che i gatti hanno solo una frazione delle duplicazioni segmentali che si trovano in altri gruppi di mammiferi: i primati in realtà hanno sette volte più di queste duplicazioni rispetto ai gatti. Questa è una grande differenza, e ora crediamo di aver capito perché i genomi dei gatti sono più stabili”.

Anche se i gatti potrebbero non avere così tanti grandi riarrangiamenti genetici nel loro DNA, hanno comunque molte differenze.

Attraverso la loro ricerca, Murphy e i suoi colleghi ora capiscono meglio quali parti del DNA del gatto causano queste variazioni, in particolare le variazioni che definiscono la speciazione o le differenze tra le specie.

“Si scopre che c’è una grande regione al centro del cromosoma X dove si verifica la maggior parte dei riarrangiamenti genetici”, ha detto Murphy.

“In effetti, c’è uno specifico elemento ripetitivo all’interno di questa regione chiamato DXZ4 che l’evidenza ci dice essere in gran parte responsabile dell’isolamento genetico di almeno due specie di gatti, il gatto domestico e il gatto della giungla”.

DXZ4 è ciò che Murphy chiama una ripetizione satellitare: non è un tipico gene che codifica per un tratto fisico come il colore del pelo, ma piuttosto, aiuta nella struttura tridimensionale del cromosoma X e probabilmente ha svolto un ruolo importante nella speciazione del gatto.

“Non conosciamo ancora il meccanismo preciso, ma confrontando tutti questi genomi di gatto, possiamo misurare meglio la velocità con cui DXZ4 si è evoluto in una specie rispetto a tutte le altre. Quello che abbiamo imparato è che DXZ4 è una delle parti in più rapida evoluzione del genoma del gatto; Si sta evolvendo più velocemente del 99,5% del resto del genoma”, ha spiegato.

“A causa della velocità con cui muta, siamo stati in grado di dimostrare perché DXZ4 è probabilmente legato alla speciazione”, ha detto Murphy.

Utilizzando nuove sequenze genomiche altamente dettagliate, il team ha anche scoperto collegamenti più chiari tra il numero di geni olfattivi, che governano il rilevamento dell’odore nei gatti e la variazione nel comportamento sociale e nel modo in cui si relazionano con l’ambiente circostante.

“Dal momento che i gatti sono predatori che fanno molto affidamento sull’olfatto per rilevare le loro prede, il loro senso dell’olfatto è una parte piuttosto importante di chi sono”, ha detto Murphy.

“I gatti sono una famiglia molto diversificata e abbiamo sempre voluto capire come la variazione genetica giochi un ruolo nella capacità delle diverse specie di gatti di annusare nei loro diversi ambienti.

“I leoni e le tigri hanno una differenza piuttosto grande tra alcuni geni odoranti coinvolti nel rilevamento dei feromoni, che sono sostanze chimiche che diversi animali rilasciano nell’ambiente per comunicare informazioni sull’identità, il territorio o il pericolo”, ha continuato.

“Pensiamo che la grande differenza abbia a che fare con il fatto che i leoni sono animali molto sociali che vivono in gruppi familiari e le tigri che vivono uno stile di vita solitario. I leoni possono avere una minore dipendenza dai feromoni e da altri odoranti perché sono costantemente intorno ad altri leoni, il che si riflette nel minor numero di geni di questo tipo nei loro genomi”.

Le tigri, d’altra parte, devono essere in grado di annusare le prede in territori molto vasti e di trovare compagni.

“Le tigri, in generale, hanno un ampio repertorio olfattivo e dei recettori dei feromoni”, ha spiegato Murphy. “Pensiamo che questo sia direttamente legato alle dimensioni dei loro territori e alla varietà di ambienti in cui vivono”.

I gatti domestici, d’altra parte, sembrano aver perso una vasta gamma di geni olfattivi.

“Se non devono viaggiare così lontano per trovare ciò di cui hanno bisogno perché vivono con le persone, ha senso che la selezione naturale non preservi quei geni”, ha detto.

Murphy ha spiegato che il suo esempio preferito del progetto sono i recettori olfattivi del gatto pescatore, una specie di gatto selvatico adattata all’acqua che vive nel sud-est asiatico.

“Siamo stati in grado di dimostrare che i gatti pescatori hanno conservato molti geni per rilevare gli odori presenti nell’acqua, che è una caratteristica piuttosto rara nei vertebrati terrestri”, ha detto.

“Tutte le altre specie di gatti hanno perso questi geni specifici nel corso del tempo, ma i gatti pescatori li hanno ancora”.

Queste nuove informazioni sui geni olfattivi nei gatti sono state rese possibili grazie a un nuovo approccio al sequenziamento del genoma chiamato trio binning, che consente ai ricercatori di sequenziare le regioni più difficili di un genoma.

Questa nuova tecnologia rende anche molto più facile la separazione del DNA materno da quello paterno.

“Con il trio binning, ora è possibile prelevare il DNA da un ibrido F1 – un animale il cui DNA è diviso 50-50 tra genitori di specie diverse – e separare in modo netto il DNA materno e paterno, ottenendo due set completi di DNA, uno per ogni specie genitrice”, ha detto Murphy. “Il processo è molto più semplice e i risultati sono più completi”.

Una delle conclusioni più importanti del progetto è che le specie di gatti possono essere simili in molti modi, ma le loro differenze sono importanti.

“Queste differenze ci stanno mostrando come questi animali siano perfettamente adatti ai loro ambienti naturali”, ha detto Murphy.

“Non sono intercambiabili, e questa è un’informazione preziosa per gli ambientalisti e altri che lavorano per preservare o ripristinare le specie nei loro habitat naturali.

“Ad esempio, non si può presumere che le tigri di Sumatra e della Siberia siano la stessa cosa”, ha detto. “I loro ambienti sono molto diversi e quelle popolazioni di tigri hanno probabilmente sviluppato adattamenti genetici specializzati per aiutarle a sopravvivere in questi luoghi molto diversi”.

È anche importante che gli scienziati si rendano conto che le sezioni di genomi più difficili da assemblare potrebbero essere la chiave per comprendere sistemi corporei cruciali come l’immunità e la riproduzione.

“I geni olfattivi non sono gli unici che sono stati difficili da sequenziare e studiare. Gli scienziati hanno anche lottato per sequenziare i geni immunitari e riproduttivi, quindi gli studi precedenti mancano di questo tipo di informazioni. Immaginate di cercare di studiare una condizione genetica nei gatti, negli esseri umani o in qualsiasi altra specie, senza averne tutti i pezzi; questo è il motivo per cui l’assemblaggio di genomi completi è importante”.

Per ora, Murphy e il suo team continueranno ad applicare le più avanzate tecnologie di sequenziamento e assemblaggio del genoma ai genomi dei gatti al fine di fornire quante più informazioni possibili sul mondo dei gatti.

 

Immagine:  Dr. William Murphy, Texas A&M University, and colleagues