著名雪橇犬巴尔托的基因组揭示了工作犬的遗传适应性

雪橇犬Balto因其在1925年向阿拉斯加诺姆提供急需的白喉抗毒素而受到书籍和电影的赞誉。现在，他的DNA使科学家能够探索阿拉斯加1920年代雪橇犬的遗传学，并了解它们与现代狗的比较。

加州大学圣克鲁斯分校的科学家对Balto的基因组进行了测序，作为比较基因组学大规模合作努力的一部分，导致在28月<>日的《科学》杂志上发表了几篇论文。对于Balto的研究，UCSC团队从克利夫兰自然历史博物馆提供的Balto标本剥制遗骸的组织样本中提取DNA，并与康奈尔大学和其他机构的同事合作调查他的祖先和遗传特征。

“Balto的名气和他被标本剥制的事实给了我们这个很酷的机会，100年后让我们看看雪橇犬的数量在基因上会是什么样子，并将他与现代狗进行比较，”加州大学圣克鲁斯分校的博士后研究员Katherine Moon说。

研究人员发现，巴尔托与西伯利亚哈士奇犬种共享其多样化血统的一部分。他属于一个工作雪橇犬种群，这些雪橇犬的遗传多样性比现代品种更多，不仅与今天的西伯利亚哈士奇犬不同，而且与现代阿拉斯加雪橇犬也不同。这项研究发现有证据表明，他的种群在基因上比现代品种更健康，并且携带的基因变异可能有助于狗在极端环境中生存。

“Balto来自一群与现代品种不同的工作犬，并且适应了恶劣的条件，”共同作者，加州大学圣克鲁斯分校生态学和进化生物学教授，霍华德休斯医学研究所研究员Beth Shapiro说。

对Balto基因组的分析涉及将其与来自现代狗和狼的682个基因组的数据集进行比较，以及由Zoonomia Consortium开发的240个哺乳动物基因组的比对，这是大多数新的比较基因组学研究的基础发表在《科学》特刊上。

“我们能够利用Zoonomia对齐和收集狗基因组的大量工作，”Zoonomia Consortium成员Shapiro说。

她解释说，这些新研究背后的一项关键创新是能够对齐数百个物种的基因组，以便可以比较不同基因组中的相应位置。然后，比较基因组学可以揭示不同物种的DNA序列，这些序列在数百万年的进化中保持不变 - 这表明这些是基因组的重要组成部分，突变可能是有害的。

“我们一个染色体上的基因在另一个物种的一条完全不同的染色体上，”夏皮罗说。“你需要一个可以将它们排列起来的工具，这样你就可以看到这些基因组的哪些部分是相同的，哪些是不同的。没有它，它只是一堆非常不同的物种基因组。

使这成为可能的基因组比对工具是由加州大学圣克鲁斯分校基因组学研究所的研究人员开发的，该研究所由生物分子工程教授、Zoonomia Consortium成员Benedict Paten领导。新论文包括一项研究，该研究确定了人类基因组中数千种跨物种高度保守的元素，另一项研究显示了这些信息如何更容易地发现增加疾病风险的遗传变化。

“当我们对人类进行基因组测序时，很难判断哪些遗传变异是重要的，”Paten解释说，他是这两篇论文的合著者。“如果它位于基因组中高度保守的位点，这是一个好兆头，表明该变体可能具有功能影响并增加疾病风险。

Balto论文还使用这种方法来表征Balto与现代狗相比的遗传变异。与种犬相比，Balto和工作雪橇犬种群的稀有，潜在破坏性变异负担较低，这表明它们代表了遗传上更健康的种群。研究人员还在与组织发育相关的基因中发现了Balto中蛋白质改变，进化受限的变异，这可能代表有益的适应。

“Balto在与体重，协调性，关节形成和皮肤厚度等相关的基因中存在变异，你期望在这种环境中繁殖的狗，”Moon说。

巴尔托在饲养员莱昂哈德·塞帕拉(Leonhard Seppala)的狗窝中长大，属于从西伯利亚进口的小型快速雪橇犬种群，后来被称为西伯利亚哈士奇犬。然而，现代西伯利亚雪橇犬品种与巴尔托和现代雪橇犬完全不同。除了西伯利亚哈士奇和阿拉斯加雪橇犬外，其他与巴尔托有共同祖先的现存犬谱系包括格陵兰雪橇犬、越南乡村犬和藏獒犬。

“看到像巴尔托这样的狗的进化真的很有趣，即使在过去的100年里，”文在寅说。“巴尔托的人口与现代西伯利亚哈士奇犬不同，后者已经按照身体标准饲养，但也不同于现代工作的阿拉斯加雪橇犬。

在Balto的基因组中发现的一个有趣的特征是，与狼和格陵兰雪橇犬(一个孤立的种群)相比，消化淀粉的能力更好，但不如现代狗，现代狗很容易消化淀粉类食物。

研究人员还能够使用Balto的基因组来重建他的外貌，包括他的身材和毛色，甚至比历史照片所能揭示的更详细。

“这个项目让每个人都知道随着更多高质量基因组的出现，开始有可能，”Moon说。“这是一个激动人心的时刻，因为这些是我们以前从未做过的事情。我觉得自己像个探险家，而巴尔托再次引领潮流。

夏皮罗实验室和Zoonomia Consortium的另一篇论文与圣地亚哥动物园野生动物联盟和其他机构合作，使用基因组学来预测哪些哺乳动物物种更有可能面临灭绝。基因组分析可以揭示近亲繁殖的证据和处于边缘的种群的其他指标。虽然生态数据提供了灭绝风险的最佳预测指标，但基因组学可以帮助识别需要更多关注的物种。

“在保护方面，需要关注的物种比我们有时间或资源来研究，事实证明，仅仅有一个好的DNA样本就足以让我们说它们可能没问题，或者现在我们需要专注于这个物种，”夏皮罗说。

除了Moon和Shapiro之外，Balto研究的合著者还包括康奈尔大学的Heather Huson和Krishnamoorthy Srikanth;麻省大学陈医学院的凯瑟琳·莫里尔、李雪和埃莉诺·卡尔森;加州大学圣克鲁斯分校的王明山;哈佛大学和麻省理工学院布罗德研究所的Kerstin Lindblad-Toh;加文·斯文森在克利夫兰自然历史博物馆;和动物联盟。这项工作得到了国立卫生研究院和西伯利亚哈士奇俱乐部的支持。