Анализ всего генома SNP и гаплотипов показывает богатую историю, лежащую в основе одомашнивания собак

Собака является ярким примером изменчивости при одомашнивании, однако эволюционные процессы, лежащие в основе генезиса этого разнообразия, недостаточно изучены. Чтобы лучше понять географический и эволюционный контекст для фенотипической диверсификации, мы проанализировали более 48 000 однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), набранных на панели из 912 собак из 85 пород, а также обширную выборку из 225 серых волков (предка домашней собаки). 4 , 5 ) из 11 глобально распределенных групп населения ( Дополнительная таблица 1 ). Мы построили деревья, соединяющие соседей, используя отдельных лиц и популяции в качестве единиц анализа, основываясь как на индивидуальном SNP, так и на гаплотипическом сходстве Дополнительное примечание А ). Все деревья идентифицируют собак как отдельную группу. Кроме того, используя всего 20 диагностических SNP, все образцы собак и волков могут быть правильно отнесены к видам происхождения с высокой достоверностью (см. Дополнительная таблица 2, дополнительные рисунки 1–4 и дополнительное примечание B ). Применение метода байесовской кластеризации, реализованного в СТРУКТУРЕ 6 Мы нашли убедительные доказательства того, что примесь к волкам встречается только в меньшинстве пород ( Дополнительный Рис. 5 ). Деревья, соседствующие с соседями, показывают, что большинство этих пород (басенджи, афганская борзая, самоед, салюки, ханаанская собака, поющая собака Новой Гвинеи, динго, чау-чау, китайский шар-пей, акита, аляскинский маламут, сибирский хаски и американская эскимосская собака) сильно отличается от других пород собак (и Дополнительные рисунки 6–11 ). Эти сильно отличающиеся породы были идентифицированы ранее и названы «древними» породами (в отличие от «современных»). 4 потому что, в соответствии с их высоким уровнем расхождения, историческая информация предполагает, что большинство имеет древнее происхождение (> 500 лет назад) 7 - 9 , Ограничение доказательств наличия примеси только для нескольких пород поражает, учитывая, что известно обратное скрещивание между собаками и волками 10 и собаки и волки широко сосуществуют. Учитывая, что современные породы являются продуктами контролируемой селекционной практики викторианской эпохи (около 1830–1900 гг.) 4 , 7 - 9 отсутствие обнаруживаемой смеси с волками согласуется со строгими режимами размножения, недавно введенными людьми. Соседние деревья домашних собак и серых волков

Цвет ветви указывает на фенотипическое / функциональное обозначение, используемое собаководами 8 , 9 , Точка обозначает ≥95% поддержки начальной загрузки из 1000 копий. a , Кэдограмма с общим гаплотипом для окон 10-SNP ( n = 6 для каждой породы и популяции волков). б , аллель-совместная кладограмма индивидов на основе отдельных локусов SNP. c , Филограмма гаплотипа, основанная на 10-SNP окнах пород и популяций волков. г , аллель-общая филограмма отдельных SNP для пород и популяций волков. Для c и d мы отмечаем породы, в которых генетические присвоения вступают в конфликт с фенотипическими / функциональными обозначениями следующим образом: 1, Брюссельский гриффон; 2, пекинес; 3, мопс; 4, Ши-тцу; 5, миниатюрный пинчер; 6, доберман пинчер; 7, Кувас; 8, ибийская гончая; 9, чихуахуа; 10, шпиц; 11, папильон; 12, Глен Имал; 13, немецкая овчарка; 14, Бриар; 15, Джек Рассел; 16, такса; 17, великий шнауцер; и 18, стандартный шнауцер. Отлично! гора, гора; PBGV, мелкий бассет-гриффон вендеен; пин. пинчер; указатель, указатель; ретривер, ретривер; пастух, пастух; сп., спаниель; Staf., Стаффордшир; стандартный, стандартный; терр., терьер. Собачьи изображения не в масштабе. Изображение волка адаптировано из ref. 31 ; изображения собак из Американского Кеннел Клуба ( http://www.akc.org ).

Чтобы определить первоисточник генетического разнообразия для домашних собак, мы использовали три подхода. Во-первых, мы оценили, группировалась ли единая популяция волков с собаками на соседних деревьях на основе совместного использования аллелей SNP и совместного использования гаплотипов 5- и 10-SNP для отдельных лиц и групп пород / популяций (, Дополнительные рисунки 6–11 и дополнительное примечание A ). Только в отдельных деревьях гаплотипов SNP и 5-SNP специфические популяции серых волков Среднего и Ближнего Востока оказались наиболее похожими на домашних собак (и Дополнительный Рис. 10 ). Во всех других деревьях волки образуют единую генетическую группу и не информативны в отношении популяции волков, которая наиболее похожа на собак. Мы также проверили подход предыдущего исследования последовательности митохондриальной ДНК (мтДНК), который предполагал, что собаки имеют происхождение в Восточной Азии, потому что разнообразие было самым высоким в собаках Восточной Азии. 3 , 11 , Мы находим, что генетическое разнообразие собак не изменяется с географией в последовательной структуре. В частности, породы восточноазиатского происхождения не имеют наивысшего уровня ядерной изменчивости, даже когда схема обнаружения SNP отличалась или гаплотипические меры разнообразия использовались для минимизации погрешности установления 12 ( а также Дополнительные рисунки 12а и 13 ). Кроме того, мы подтвердили отсутствие географических закономерностей в ядерных вариациях путем повторного анализа ранее опубликованных данных микроспутника 4 , 7 ( а также Дополнительный рис. 12б ). Например, две древние породы с самым высоким разнообразием гаплотипов SNP, салюки и китайский шарпей, произошли в разных областях (на Ближнем Востоке и в Китае, соответственно). 8 , 9 ; ). Тем не менее, древние и островные породы являются исключениями из-за постоянного меньшего разнообразия (басенджи, ханаанская собака, динго, поющая собака Новой Гвинеи;). Таким образом, в отличие от предыдущих результатов последовательности мтДНК, текущие уровни аутосомного разнообразия не поддерживают восточноазиатское происхождение (или любое другое место). Действительно, если демографическая история существенно различалась у пород собак в разных географических регионах после одомашнивания, нынешние уровни генетического разнообразия могут не отражать непосредственно самую древнюю, исконную популяцию, как это происходит в других видах, таких как человек 12 - 14 , Кроме того, мы отмечаем, что в последнее время использование генетического разнообразия для определения центров одомашнивания было поставлено под сомнение исследованиями полуферальных деревенских собак из Африки и Пуэрто-Рико, которые обнаружили, что уровни разнообразия мтДНК выше или выше, чем в Восточной Азии. 11 , 15 , Большое разнообразие в популяциях африканских собак отражает дополнительный вклад древних местных собак в генофонд, в котором часто преобладают современные породы. 15 ,

а , средняя наблюдаемая гетерозиготность ( H o). b , Среднее число гаплотипов на породу или группу для фазированных локусов SNP (окна 15-SNP). c , Средняя наблюдаемая гетерозиготность микросателлитных данных 4 , 7 , г , доля уникальных гаплотипов, распределенных между 64 собаками и популяциями волков для 5- (слева) и 15- (справа) окон SNP. Алмазы указывают на значительное разделение ( P <0,05) с использованием теста перестановки 2 ( Дополнительное примечание А ). Шесть ( a – c ) или девять ( d ) особей представляют каждую породу и популяцию волков. Столбики ошибок указывают на восток; ЮЗ, юго-запад.

Следовательно, в качестве третьего подхода к определению первичного центра одомашнивания собак мы рассмотрели распределение гаплотипов современных и древних пород собак со специфическими популяциями волков (см. Дополнительное примечание А ). Показано, что модели разнообразия гаплотипов менее чувствительны к ошибкам в установлении 12 и совместное использование SNP, которые в остальном являются частными для определенных популяций волков, обеспечивает уникальный сигнал для поддержки предков или примесей. Мы проанализировали распределение гаплотипов между 64 хорошо отобранными ( n ≥ 9) породами собак и популяциями волков из Европы, Ближнего Востока и Китая для окон гаплотипов в 500 килобаз (kb), содержащих 5 и 15 SNP, нарисованных случайным образом (и Дополнительная таблица 3, Дополнительное примечание A ). Ближний Восток и Китай являются центрами происхождения собак на основе археологических данных или разнообразия мтДНК. 3 , 11 , 16 - 18 , Мы также оценили распределение гаплотипов между собаками и североамериканскими волками как отрицательный контроль, потому что собаки не происходили там 19 , Во всех породах и для обоих размеров окна уровни обмена между собаками и североамериканскими волками значительно ниже, чем аналогичное сравнение с волками Старого Света, как и ожидалось (). Для окон 5-SNP гаплотипов мы обнаружили, что распределение гаплотипов было равномерно выше между современными породами собак и ближневосточными волками, чем между другими популяциями волков (слева). Для 15-SNP-окон (справа) большинство пород демонстрируют наибольшее сходство с ближневосточными волками, включая некоторые породы собак различного географического происхождения (например, басенджи, чихуахуа, бассет-хаунд и борзые). Примечательно, что значительный обмен с европейскими волками встречается у миниатюрных пинчеров, стаффордширских бультерьеров, борзых и кнутов. Повышенное распределение гаплотипов между некоторыми европейскими породами и европейскими волками в анализе 15-SNP может быть не выявлено в окнах 5-SNP, поскольку гаплотипы европейских и ближневосточных волков менее легко различимы, если основаны на меньшем количестве SNP. Наконец, только две восточноазиатские породы (акита и чау-чау) имели более высокую долю с китайскими волками, хотя результаты были незначительными. В анализе с меньшим количеством хромосом на породу ( n ≥ 6) четыре восточноазиатских породы - акита, китайский шар-пей, чау-чау и динго - показали большую часть общего с китайскими волками (последние две породы показали значительно большее разделение, чем ожидалось), подтверждающие результаты кластеризации СТРУКТУРА ( Дополнительные рисунки 5 и 14 ).

Примечательно, что при анализе окон 5-SNP и 15-SNP у басенджи, породы ближневосточного происхождения, была большая доля общих гаплотипов с ближневосточными волками, чем у любой другой домашней собаки (и Дополнительная таблица 3 ). Этот результат свидетельствует о том, что у басенджи была более эффективная численность популяции на ранней стадии одомашнивания или что они совсем недавно скрещивались с волками. В целом, эти данные указывают на то, что Ближний Восток является основным источником генетических изменений у собак, а потенциальные вторичные источники изменений - из Европы и Восточной Азии. В отличие от результатов мтДНК, восточноазиатские волки являются преобладающим источником разнообразия гаплотипов только для немногих восточноазиатских пород собак, которые имеют долгую историю в этом регионе.

Соседние деревья, основанные на данных SNP, обеспечивают четкую основу для исследования гипотез истории породы и генезиса фенотипического разнообразия. В соответствии с предыдущими результатами микроспутника 4 , 7 топологический анализ часто определяет три хорошо поддерживаемые группы сильно расходящихся древних пород: азиатская группа (динго, поющая собака Новой Гвинеи, чау-чау, акита и китайский шарпей), ближневосточная группа (афганская борзая и салюки) и северная группа (аляскинский маламут и сибирский хаски) в отличие от современных домашних собак (и Дополнительные рисунки 6–11 ). Кроме того, мы находим, что басенджи часто выступает в качестве наиболее расходящейся породы среди деревьев, разделяющих аллели и гаплотипы (и Дополнительные рисунки 6–11 ). Это открытие и высокий уровень обмена гаплотипами, а также долгая история 8 , 9 Предполагают, что эта порода является одной из самых древних сохранившихся пород собак.

Излучение современных пород собак было трудно разрешить, потому что большинство из них возникли недавно и не имеют глубоких, подробных историй. 8 , 9 , Следовательно, эволюционный процесс, лежащий в основе генезиса фенотипических / функциональных группировок, неясен. В частности, многие породы были зарегистрированы как происхождение от скрещивания генеалогически или географически отдаленных запасов 9 и, следовательно, ожидается параллельная эволюция и генетическая гетерогенность внутри фенотипических / функциональных групп пород. Тем не менее, мы различаем генетические кластеры в современных собаках, которые в значительной степени соответствуют тем, которые основаны на фенотипе или функции, включая спаниелей, гончих, похожих на масти, мелких терьеров, ретриверов, пастушьих собак и гончих собак (см.). Большинство генетических групп имеют короткие междоузлия и часто низкую поддержку начальной загрузки, что отражает быстрое формирование современных пород в викторианскую эпоху. 8 , 9 , Примечательно, что игрушечные и рабочие собаки имеют более различное отношение к генетическим группировкам, что согласуется с их известной историей, включающей скрещивания между породами из разных генетических линий ( Дополнительная таблица 4 ). Гетерогенный состав игрушечных пород может конкретно указывать на их частое происхождение как нечто среднее между крупной собакой из определенной породы породы и породой игрушечной или карликовой породы ( Дополнительная таблица 4 ). Наконец, в каждой породе имеется замечательное соответствие с известным происхождением, поскольку все собаки правильно отнесены к той породе или популяции, из которых они были отобраны, за одним исключением (бультерьер и миниатюрный бультерьер;). Вклад этих группировок в генетическую изменчивость оценивали с помощью анализа молекулярной дисперсии (AMOVA; Дополнительная таблица 5 ), которая показала, что 65% вариаций обусловлены вариациями внутри пород собак, а 31% - вариациями внутри групп пород, аналогично тому, что сообщалось для микросателлитных данных. 4 , 7 , Тем не менее, наш анализ также показал, что 3,8% различий происходит между фенотипическими / функциональными группами пород ( P <0,001). Следовательно, хотя большая часть вариаций относится к породам, фенотипические / функциональные группы пород представляют относительно небольшой, но значительный компонент вариации.

Процесс одомашнивания включает в себя сильный отбор конкретных фенотипов; следовательно, сигнал этого отбора должен быть очевиден в геноме 20 , Учитывая охват всего генома нашей панели SNP, мы искали области генома, которые могли бы содержать адаптивные замены из-за положительного отбора на начальной стадии одомашнивания собаки (а не формирования породы, см. Дополнительное примечание С ). Для каждого SNP мы рассчитали значения индекса фиксации ( F ST) и значений расширенной гомозиготности по расширенному гаплотипу (XP-EHH) между не смешанными волками и современными собаками и рассмотрели SNP с экстремальными значениями в качестве кандидатов для недавнего положительного отбора. 20 , Эти статистические данные измеряют популяционную дифференциацию и относительные уровни генетического разнообразия, которые являются надежными индикаторами положительного отбора для недавно одомашненных видов 21 , Мы обнаружили, что SNP в верхних 5% значений F ST и SNP в пределах 1% значений XP-EHH значительно обогащены для SNP в генных регионах ( P = 0,04 для F ST, P = 0,02 для XP-EHH, односторонний точный условный тест с контролем контрольной панели; Дополнительный Рис. 15 ). Этот результат согласуется с историей адаптивной дивергенции в генных регионах. Чтобы определить конкретные регионы, которые являются кандидатами для недавнего адаптивного развития, мы нормализовали значения F ST и XP-EHH в пределах категорий выяснения и целевые регионы, которые имеют несколько SNP с экстремальными значениями для обеих статистик ( Дополнительная таблица 6 , увидеть Дополнительное примечание С для результатов). Примечательно, что два из наших первых трех сигналов находятся рядом с генами, которые участвуют в формировании памяти и / или поведенческой сенсибилизации в исследованиях на мышах или людях (рианодиновый рецептор 3 (OMIM accession 180903; ref. 22 ), аденилатциклаза 8 (OMIM инвентарный 103070; Дополнительное примечание С )). Кроме того, мы наблюдали один SNP с высоким значением F ST, расположенный вблизи гена WBSCR17 , ответственного за синдром Вильямса-Бьюрена у людей (OMIM accession 194050; Дополнительный Рис. 16 ), которая характеризуется такими социальными чертами, как исключительная общительность. Эти выделяющиеся SNP предоставляют специфические области-кандидаты для точного картирования генов, которые важны для раннего одомашнивания собак.

Наши результаты показывают, что домашние собаки имеют генетическую структуру на трех фундаментальных уровнях в результате различных эволюционных процессов. Во-первых, в породе собак почти все собаки относятся к породе происхождения. Этот результат подтверждается предыдущими исследованиями микроспутника 4 , 7 и отражает ограниченное количество основателей, инбридинг и небольшой эффективный размер популяции, характерный для многих пород 23 , 24 , Во-вторых, группировка пород очевидна в более тонком масштабе, чем описано ранее, и отражает классификацию пород на основе формы и функции. Мы предполагаем, что этот результат отражает тенденцию собаководов развивать новые породы путем скрещивания особей в пределах определенных функциональных и фенотипических групп для усиления способностей, таких как извлечение и выпас скота, или дальнейшего развития специфических морфологических признаков 4 , Тем не менее, гетерогенность в породах игрушек и других групп пород свидетельствует о важности дискретных фенотипических мутаций в эволюции фенотипического разнообразия у собак. Недавние генетические исследования установили, что изменение цвета шерсти 25 и текстура 26 , размер тела 2 , относительная длина ноги 27 и пропорции тела (ARB et al ., рукопись представлена) у разных пород собак обусловлены изменением общих генов большого фенотипического эффекта. Например, по крайней мере, 19 различных пород собак с ракурсами, имеющими ракурс, все однозначно имеют одну и ту же ретротранспонированную версию Fgf4, которая является сильной частью генетической основы этого фенотипа. 27 , Как только такие дискретные мутации зафиксированы в породе, они могут быть легко скрещены в неродственные линии и, таким образом, усиливают процесс фенотипической диверсификации. Этот процесс, возможно, привел к большему фенотипическому разнообразию у собак, чем другие одомашненные виды, потому что они отобраны для многих функций, представляющих ценность для человека (например, защита, разведение, добыча, охота, скорость и общение), а также для новизны, кульминацией которой стали «модные породы» викторианской эпохи 8 , 9 , Наконец, мы идентифицируем расходящиеся линии собак, отличные от тех пород, которые излучали в течение девятнадцатого века и которые, вероятно, происходят от древних географически местных пород. Это открытие отражает недавние генетические открытия у овец. 28 и скот 29 и предполагает, что некоторые родословные собак, возможно, сохранились с древности или в последнее время смешались с волками. Последнее кажется маловероятным, учитывая, что некоторые из этих пород имеют древнюю историю, существуют в районах, где волки отсутствуют, и фенотипически высоко выведены 8 , 9 , Например, чау-чау возник более 2000 лет назад 8 , 9 , Точно так же динго и поющая собака Новой Гвинеи, вероятно, были созданы более 4000 лет назад и существуют в районах без волков. Однако, учитывая их непосредственную близость к обширной популяции волков, различные северные породы, такие как аляскинский маламут, сибирский хаски и американская эскимосская собака, могут быть лучшими кандидатами для недавней примеси.

Наш анализ совместного использования гаплотипов оценивает вклад определенных популяций волков в геном собак и выявляет значительную ближневосточную и, для некоторых пород, европейскую родословную. Этот результат согласуется с археологическими данными, которые определили самые ранние останки собак на Ближнем Востоке (12 000 лет назад) 16 , Бельгия (31 000 лет назад) 17 и Брянская область на западе России (15 000 лет назад) 17 а также обнаружение высокого разнообразия мтДНК у древних итальянских собак 18 , Тем не менее, некоторые древние восточноазиатские породы демонстрируют близость с китайскими волками, что говорит о том, что они были получены от китайских волков или смешаны с ними после одомашнивания 10 , Домашняя собака, кажется, сопоставима с другими домашними видами, поскольку содержит несколько источников отклонений от диких сородичей. Этот динамический процесс обогатил геном собаки благодаря скрещиванию с волками в начале процесса одомашнивания. Точно так же мутации, которые произошли после одомашнивания, такие как мутация, ответственная за окрас черного плаща, были переданы серым волкам 30 , Наш анализ SNP по всему геному обеспечивает новую эволюционную основу для понимания быстрой фенотипической диверсификации, уникальной для домашней собаки.

Похожие

Комментарии