爲什麼狗狗之間差異巨大？科學家從基因裏找到了新答案
在生命的長河中，每一個新生命的誕生都伴隨着基因組的微妙變化。這些被稱爲“新發突變”的遺傳變異，如同時間在 DNA 上留下的印記，既是進化的原料，也是理解生命奧祕的鑰匙。近日，中國科學院昆明動物研究所王國棟研究員領導的國際團隊發表了一項開創性研究，首次系統解析了家犬獨特的新發突變圖景，爲我們打開了一扇觀察生命演化的新窗口。
形形色色的家犬（圖片來源：維基百科）
跨越 43 個犬種的基因之旅
想象一下，從嬌小的吉娃娃到威武的德國牧羊犬，從捲毛的貴賓犬到短腿的臘腸犬——這些外貌迥異的狗狗們，都源自同一個祖先。人類在短短几百年的育種歷程中，創造出了 200 多個犬種，它們在體型、外貌和行爲上展現出驚人的多樣性。這種快速的表型分化，爲科學家研究突變規律提供了得天獨厚的模型。
王國棟團隊對 43 個犬種的 390 個親子三聯家系進行了深入研究，涵蓋 643 個個體。通過高深度全基因組測序，研究人員像考古學家篩選化石一樣，從海量的遺傳信息中精確識別出 8312 個新發突變。這些突變如同基因組上的時間戳，記錄着從父母到子代的遺傳變化軌跡。
研究發現，家犬每代每鹼基的生殖系突變率約爲 4.89×10^⁻⁹。這個看似微小的數字，卻蘊含着深刻的進化意義。基於這一更爲精確的突變速率，研究團隊重新校準了犬類進化史上的關鍵節點——狼和犬的分歧時間被精確定位在兩萬三千年到三萬年之間，這爲理解人類最忠實伴侶的馴化歷程提供了更可靠的時間框架。
父親的年齡密碼
在遺傳的舞臺上，父母的年齡扮演着關鍵角色。研究發現，父親年齡對子代突變數目的影響尤爲顯著，而且這種“父源效應”在犬類中比人類更加明顯——約高出 50%。這意味着，年長的公犬更容易將新的突變傳遞給後代。
更有趣的是，不同體型的犬種展現出截然不同的突變積累模式。小型犬種隨着父親年齡增長，突變積累速度更快；而大型犬種雖然在生命早期就攜帶較多突變，但隨年齡增長的突變積累速度反而較慢。這種差異可能與它們不同的生命史特徵有關——大型犬發育更快、壽命更短，而小型犬則相對長壽。這一發現暗示着，體型不僅影響狗狗的外表和壽命，還深刻影響着它們基因組的演化動態。
家犬的品類多樣性與其基因組的特殊性密切相關（圖片來源：維基百科）
CpG 島上的突變熱點
如果說基因組是一片廣闊的海洋，那麼 CpG 島就是其中的特殊島嶼。這些富含 CG 二核苷酸的區域通常位於基因的調控區域，對基因表達起着重要作用。令人驚訝的是，研究發現家犬 CpG 島區域的突變率竟是基因組平均水平的 2.6 倍，而在人類中並未觀察到這種現象。
這一獨特現象的背後，隱藏着一個進化的祕密。犬科動物是唯一缺失重組關鍵基因 PRDM9 的哺乳動物。在其他物種中，PRDM9 就像一個精確的導航儀，引導 DNA 重組發生在特定位置。而失去這個“導航儀”的犬類，重組事件更多地集中在開放的染色質區域，尤其是 CpG 島。由於重組過程本身具有致突變性，這就導致了犬類 CpG 島成爲突變的“熱點”。
通過比較不同物種的進化速率，研究團隊推算出犬科動物失去 PRDM9 基因的時間約爲 3730 萬年前。這意味着，犬科動物已經在沒有 PRDM9 的情況下成功演化了數千萬年，展現出生命對不同遺傳機制的驚人適應能力。
母系遺傳的意外發現
在這項研究中，一個特殊的案例引起了科學家的注意。一隻邊境牧羊犬攜帶了 214 個新發突變，是正常水平的近十倍。更令人驚訝的是，這些突變主要來自母親，其中 140 個被確認爲母源突變。進一步的基因分析發現，這隻狗的母親攜帶了 DNA 錯配修復基因 MLH1 的一個致病性突變。
這是迄今爲止首次報道的母源超突變案例，打破了人們對生殖系突變主要來自父系的傳統認知。這個發現不僅拓展了我們對突變機制的理解，也提示着某些遺傳疾病可能通過母系以意想不到的方式傳遞。對於臨牀遺傳學和育種實踐而言，這一發現具有重要的警示意義。
神經發育基因的富集之謎
研究還發現了另一個引人深思的現象：家犬和人類的新發突變都在神經發育相關基因中出現富集。雖然這些突變大多位於非編碼區域，其具體功能還有待進一步研究，但這種跨物種的共同特徵暗示着神經系統可能是突變的一個特殊靶標。
考慮到狗在認知能力、社交行爲和情感表達方面與人類的相似性，這一發現爲將家犬作爲神經系統疾病模型提供了遺傳學基礎。未來，通過深入研究這些突變如何影響神經功能，可能爲理解和治療人類神經發育疾病開闢新的途徑。
照見進化的鏡子
家犬的突變研究不僅揭示了一個物種的遺傳奧祕，更爲我們理解生命演化的普遍規律提供了獨特視角。PRDM9 基因的缺失、CpG 島的高突變率、體型與突變動態的關聯——這些發現共同勾勒出一幅複雜而精妙的進化圖景。
正如王國棟團隊的研究所展示的，每一個物種都在用自己獨特的方式書寫着進化的故事。家犬作爲人類最親密的動物夥伴，不僅陪伴着我們的日常生活，也在科學研究中扮演着不可替代的角色。通過解讀它們基因組中的突變密碼，我們不僅能更好地理解犬類的遺傳多樣性和疾病易感性，也能從中窺見生命演化的基本法則。
這項研究提醒我們，在生命科學的探索中，每一個看似微小的發現都可能蘊含着改變認知的力量。從一個鹼基的改變到物種的分化，從父母的年齡到後代的命運，生命以其獨特的方式詮釋着連續與變化、偶然與必然的辯證關係。而科學，正是我們解讀這部宏大生命之書的鑰匙。
參考文獻
[1]Zhang, SJ., Ma, J., Riera, M. et al. Determinants of de novo mutations in extended pedigrees of 43 dog breeds. Genome Biol 26, 305 (2025). https://doi.org/10.1186/s13059-025-03804-2
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出品丨科普中國
作者丨夏至 大阪大學
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