A kutya és ember szoros együttélése több, mint tízezer éve kezdődött. A kutya genom iránti érdeklődés magától értetődik, biológiája számos érdekes kérdés vizsgálatára ad alkalmat.
- A kutya referenciául szolgál, mint „outgroup” azaz elég , de nem túl távoli rokon a többi emlős genom vizsgálatához.
- Ideális faj a domesztikáció tanulmányozásához. A Canis nemzetség kínálja a legtöbb lehetőséget a beltenyésztett populációk, a különböző fajták és a vad populációk tanulmányozásához. A kutya és a farkas szekvenciája 0,04%-ban különbözik az exonokban, és a 0,21%-ban az intronokban – a különbség jelentéktelenségét aláhúzza, hogy a farkasok keresztezhetők.
- Az embernek és kutyának számos közös betegsége van, számos közülük jellemző egyes fajtákra, amelyek kis populációkból származnak, így a felelős gének könnyebben azonosíthatók. A gyógyszertesztek kutyákon folynak, a génterápiás kutatások jelentős részben szintén kutyán folynak.
- A hatalmas morfológiai változatosság - különösen a nagyságra vonatkozóan - lenyűgöző sajátossága a fajnak. A különböző fajták genomjainak összehasonlítása (összehasonlító genomika=comparative genomics) lehetőséget ad a fejlődési útvonalak szabályozásának finomanalízisére. Az orvosi vonatkozások néha innen is adódnak: pl. egyetlen mutáció befolyásolja a koponya szélességét és a pofa hosszát. Emberben a homológ fehérje mutációja okozza a fej- és arcformát befolyásoló Treacher-Collins szindrómát.
- A különböző „jellemű” fajták tanulmányozása módot ad az agresszivitásért és passzivitásért felelős gének azonosítására.
A kutya története
A Carnivora rend a paleocénben, kb. 60 millió éve alakult ki, az első kutyaszerű ragadozók 40 millió éve jelentek meg. A közeli rokon fajok: a farkas, prérifarkas, sakál, róka 3-4 millió éve különültek el. A farkas vonalból származik a házi kutya (Canis familiaris). A kutya háziasításának régészeti nyomait 14-15 ezer évvel ezelőttről valók, de bizonyosan korábban történt a háziasítás, mert Észak-Amerika első, a Bering-szoroson áthatoló telepesei már magukkal vitték a háziasított kutyákat 20-15 ezer évvel ezelőtt. A genom analízise azt mutatja, hogy a kutya két „palacknyakon” ment át: először kb. 9000 generációval ezelőtt, kb. 27.000 éve, a domesztikációkor. A másodikon ~ 30-90 generációval ezelőtt, a fajták elkülönülésekor (a faj elkülönülésére több becslés is van a különböző vizsgálatok alapján, mint még látni is fogjuk). A fajták számát a különböző nyilvántartások 300-1000 közé teszik, ezek jelentős részét mára zárt „génpool” jellemzi, bár a tenyésztők néha kereszteznek más fajtákkal, a kívánatos jellegek elérése érdekében.
A kutya háziasításának legrégebbi fosszilis, többnyire töredékes nyomai kb. 13.000 évvel ezelőttre tehetők. A mitokondriális DNS elemzése alapján a kutyafajtákat több (legalább 4) kládba (egy, lehető legközelibb közös őssel rendelkező csoport) lehet osztani:
Az I. klád a 26 kutya haplotípus (meghatározott szekvenciakombinációk) közül 18-at tartalmaz, ez a legrégebbi és legváltozatosabb ág. Elemzésekor arra következtettek, hogy vagy a farkas háziasítása zajlott le többször, vagy számos keveredés volt a kutyák és farkasok között. A klád több ágra oszlik. Ide tartozik, többek között a dingó, az új-guineai éneklő kutya, a kínai kopaszkutya, és több skandináv fajta.
A II.csoport 1 haplotípust tartalmaz, két skandináv fajtára jellemző: a norvég elghundban és a jämthundban. A haplotípus számos farkas haplotípussal van közeli rokonságban
A III. klád három haplotípust tartalmaz. Előfordul többek között a német juhászkutyában, a szibériai huskyban, a mexikói meztelen kutyában. Ez a klád hozzávetőlegesen 50.000 éves.
A IV. klád 3 haplotípusa megegyezik vagy nagyon hasonlít egy Romániában és Nyugat-Oroszországban meglévő farkas haplotípussal, ami 20.000 évnél nem régebbi kereszteződésre utal.
Minden eddigi tanulmány, legyen az mtDNS, mikroszatellita-elemzés, vagy genomszintű analízis, a farkas és kutya lehető legközelebbi rokonsága mellett szólnak.
Az I. klád további analízise, és a prérifarkas-farkas elválás becsült egymillió éve alapján, ahhoz, hogy ez a változatosság kialakuljon, 135.000 évre volt szükség. A további mtDNS analízis (amely további két kládot is eredményezett), már 11-40 000 év közöttire teszi ugyanezt az időt.
A kutyafajták rendkívül magas formai sokfélesége egyedülálló az állatvilágban 1. ábra
Általánosan elfogadott nézet, hogy a legtöbb kutyafajta beltenyésztett. Ennek ellentmond, hogy az mtDNS varianciája magas, noha egy mutáció fixációs ideje negyede egy nukleáris mutáció fixációs idejének, így a „valódi” beltenyésztettség a variancia gyors elvesztéséhez vezetne. A variabilitás minden bizonnyal két okra vezethető vissza: (1) a legtöbb fajta „fiatal”, és egy előzőleg rendkívül sokszínű állományból szelektálódott. (2) Pontosan a beltenyésztés hatásainak elkerülésére a fajtatiszta kutyákat gyakorta keresztezték.
A kutya domesztikációjának tehát genetikai háttere van, amit a természetes és a mesterséges szelekció is befolyásolt. Beljajev híres ezüstróka kísérlete, amelynek során kezelhetőségre és szelídségre szelektált (minél kevesebb emberi érintkezéssel), új viselkedésformák jelentkeztek: az ember figyelemmel követése, kéz nyalogatás, sőt morfologiájuk is megváltozott: lelógó fülek, kunkori farok, rövidebb lábak, pigmentáció hiánya, amelyek csaknem az összes háziasított állatban megvannak, mint azt Darwin is megjegyezte („Not a single domestic animal can be named which has not in some country drooping ears.”)
További következmény: a koponya méretének csökkenése, és „feminizálódása”, valamint a pedomorfózis, azaz a fiatalkori jegyek megőrzése felnőtt korban, valamint a neuroendokrin rendszer megváltozása ( a szerotonin koncentráció emelkedett a háziasított rókákban, így az agresszivitás gátlódik).
Koevolúciónk a kutyával, amely az általunk félt és csúfosan megvesztegetett farkasnak, Európa korábbi csúcsragadozójának leszármazottja, külön történet.
Genom variáció a fajták között
Az első teljesnek mondható genom egy nőstény boxeré volt, shotgun módszerrel elemezték. A kutya genomja kisebb az emberénél (n=39; 2,4X109 bp), részben azért, mert kevesebb ismétlődő szekvenciát tartalmaz. A SINE szekvenciák rövidebbek (ami nem jelentéktelen, tekintve, hogy 1.500000 példájuk az ember genom 13%-át teszi ki)
A referencia szekvencia mellett 2,5 millió SNP-t határoztak meg 11 fajtából. A fajták beltenyésztett természetéből következik, hogy a fajtán belül az egyedek közötti különbségek kisebbek: két boxer között 1SNP/1600 bázis, két fajta között 1SNP/900 bázis a különbség.
A fajtákon belüli közeli rokonság további folyományai:
- Nagyobb a fajták közötti, mint a fajtán belüli variáció. A teljes fajt figyelembe véve a nukleotid diverzitás szintje hasonló a kutyánál, mint az embernél. Az egyedek között különböző bázisok gyakorisága 8X10-4. Az egyes kutyafajtákon belül a genetikai homogenitás nagyobb mértékű mint az emberi populációknál.
-Hosszabb haplotípus blokkok. Fajtán belül a blokkok hossza 100 kb is lehet, a fajták között 10 kb körüli. Embernél az érték 20 kb körüli.
- A linkage disequilibrium a fajtán belül több megabázisnyira terjedhet ki. A fajon belül néhány tucat kb-t tesz ki.
A kutya 39 pár kromoszómája, az ember 23 pár és az egér 21 pár kromoszómájával összevetve 94%-ban konzervált szinténiás blokkokból áll. A kutya genomjának 5%-a tartalmaz az egérrel és emberrel közös funkcionális elemeket, ami jelentősen nagyobb, mint a humán genom fehérjekódoló része. Ez az 5% szabályozó elmeket és strukturális RNS-eket is tartalmaz, de magas aránya jelzi, hogy korai az ismeretlen funkciójú részeket „szemétnek” nevezni.
A kukorica a teozinte pázsitfűféle egy alfaja, az izoenzim és mikroszatellita vizsgálatok tanúsága szerint a Zea mays snbsp. Parwiglumis. Régészeti és molekuláris biológiai kutatások szerint a teozinte háziasítása 6-9000 évvel ezelőtt történt. Az első művészi kukoricaábrázolások az Oaxaca-barlang 6250 éves, csöveket ábrázoló leletei.
A „kukoricaős” törzset egy egyetemista, Rafael Guzmán fedezte fel 1978-ban, felfedezése a genom kutatás korában újra felbecsülhetetlen értékűnek bizonyult (vírus-rezisztenciája miatt korábban is volt gyakorlati jelentősége). A kukorica és a teozinte között mélyreható morfológiai különbségek vannak (lásd Makroevolúció).
Mi áll a mélyreható különbségek hátterében?
Sokat segít, hogy a két forma termékeny hibridet alkot. G. Beadle („one-gene-one-enzyme” hipotezisükért Nobel-díjat kaptak Tatummal) klasszikus módszerekkel kimutatta, hogy kisszámú gén érintett a változásokban (5 körülire becsülte számukat).
A genomadatok segítségével meghatározható, mely gének estek át szelekción. A domesztikáció alatt szelektált gének/szakaszok veszítenek genetikai diverzitásukból. Bonyolítja a helyzetet az „ősi” teozinte populáció magas változatossága. A háziasításhoz köthető változatosság veszteséget („domestication bottleneck”) 25-30%-ra becsülik, ami kiemelkedik a változatosabb háttérből.
A szekvenciák összehasonlítása arra utal, hogy a gének kb. 2-3%-a, azaz kb. 1200 gén volt a szelekció tárgya a kukorica háziasítása során. Sok morfológiai változásokban fontos gén a Beade-féle megfigyeléseknek megfelelő gének körül csoportosul.
A gének közül néhány transzkripciós szabályozó
Az egyik fontos gén a tb1 (= teosinte branched 1). A kukoricaváltozat fehérje
kódoló szakasza a teozinte. 30%-át mutatja, míg az 5’-szabályozó régió csak 2%-át. A kukorica-változat kifejeződési szintje magasabb. A „kukorica változat” allél jelen van a vad teozintében.
Egy másik, a két formában különböző gén a tga1 (=teozinte glume architekture 1). A gén teozinte verziója kemény toklászt eredményez, míg a „kukorica allél” a borítást (glume) egy vékony hártyává redukálja a mag csatlakozásánál. A hasonló kifejeződési szint mellett a „kukorica” tga1 allélban egy lizin aszparaginra cserélődik. Ez az allél nincs meg a vad teozintében.
4400 éves csövek DNS-ének szekvenálása megmutatta, hogy legalábbis az adott helyen és a vizsgált génekre a „modern” allélokat hordozták.
A termesztési centrumtól távoli Új-Mexikóban talált csövek analízise azonban megmutatta, hogy a szelekció nem volt (mindenhol) tökéletes: bennük találtak egyes génekre teozinte specifikus allélt is.