狗狗秀

脸扁的狗经常呼吸困难。他们的基因发生了什么?另外,我们给小狗排序…
2019年9月14日
提出的菲尔·桑塞姆

BULLDOG_PUPPY

斗牛犬小狗

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这是一个狗狗的世界……在这节课中,我们要讨论的是哈巴狗、斗牛犬和法国斗牛犬。它们都是为平脸而生的,但它们的气道并没有随着头骨而缩小,这意味着它们经常呼吸困难。这是怎么发生的?在进化了数百万年之后,为什么它们的气道真的太大了,以至于无法容纳它们的头部?他们被自己的基因背叛了吗?Naked Genetics正在调查此案。另外,小狗眼睛的起源,我们对黑色拉布拉多犬布鲁斯的基因组进行了测序……

在这一集里

黑色的拉布拉多犬布鲁斯

01:13 -会吗?序列:布鲁斯!

他才15周大,什么东西都爱啃,而且他身上充满了基因……

场景:布鲁斯!
厄休拉·阿恩特,Illumina

狗的种类繁多。它们可以像大丹犬一样大,也可以像吉娃娃一样小。它们的皮毛可以是棕色,白色,甚至深蓝色,它们可以是短毛到蓬松球的任何地方。它们的细胞内部发生了什么,使它们的形状和大小变化如此之大?我们去基因测序公司Illumina寻找答案。在Will It Sequence的第一版中,我们试图解码黑色拉布拉多犬布鲁斯的基因组。

厄休拉-你好,我是厄休拉·阿恩特,我是Illumina的科学家。你叫什么名字?

艾米莉亚-我是艾米莉亚,布鲁斯是我的,我们这只小狗。

厄休拉-太好了,布鲁斯,显然是一只非常可爱的黑色拉布拉多小狗。我们要从它嘴里提取DNA。我们有个棉签。所以我们要看看能不能让他把它含在嘴里我们要在他的脸颊上摩擦几分钟。

阿米莉亚-你用棉签从口腔里检测到了什么?

厄休拉:大部分是唾液,但我们也应该得到很多狗的细胞。实际上,我们希望的是,我们不只是得到了狗,但我们可能也得到了一些可能在他嘴里的细菌。

阿米莉亚-那你打算怎么处理?

厄休拉-用我们的测序仪对它们进行测序,然后我们可以告诉你更多关于布鲁斯的事情。

艾米莉亚-布鲁斯!

乌苏拉-布鲁斯!糯糯糯,所以现在我正试着擦拭他的脸颊内侧,而不仅仅是他的牙齿,不让他吃掉整根管子。现在他还想咬我的手呢。好了,我想我们没事了,布鲁斯。所以我现在把棉签转过来,所以看起来像棉签的那部分现在在液体里,它会从棉签中提取DNA,希望能保存它。

阿米莉亚-接下来会发生什么?

厄休拉-所以明天早上我们要用这个含有他细胞的液体。我们要分解细胞,我们要保留DNA,扔掉所有的蛋白质或细胞部分,细胞壁,所有不是DNA的东西。我们将对他的基因组进行测序,然后我们将,实际上,我们的生物静力学家将研究狗身上有多少狼的成分,我认为这是我们的主要问题之一。那我们看看还能找到什么。

阿米莉亚-狗的DNA密码有多大?

厄休拉:我认为它基本上和人类一样大。

阿米莉亚-对他的DNA进行测序需要多长时间?

厄休拉:我们计划进行DNA提取,然后建立文库——我们称之为文库准备,这使DNA准备好进行测序——我们只需要不到一天的时间,然后测序将需要一天半的时间。好了,我们现在要采集一些头发样本。我知道你真的…好的。好了,我试着让狗不要扭动,因为我不想在它移动的时候割伤它。但我要从他脖子后面取点头发。你能帮我照看一下你的狗吗?是啊,这里应该有很多头发。这管子里的狗应该够多了。非常感谢你,布鲁斯!

艾米莉亚-布鲁斯?布鲁斯?饼干吗?

一只狗从狗窝里出来的复古插图

04:43 -繁殖和呼吸

一个半世纪的狗饲养留下了印记……

繁殖与呼吸
詹姆斯·斯贝尔,宾夕法尼亚大学

狗是从哪里来的?通过观察它们的DNA,科学家们可以看出它们与狼的关系最为密切。几千年前,当人类驯化它们时,它们就进化了。我们集中饲养它们,因为我们依靠它们来保护我们的牲畜,防止我们挨饿。通常这种规模的进化需要数百万年,但在这里却需要数万年。这只是热身而已。在19世纪,真正的狗的饲养开始了。菲尔·桑索姆采访了宾夕法尼亚大学动物伦理与福利教授詹姆斯·斯贝尔。

詹姆斯:19世纪50年代,维多利亚时代的人开始把狗作为一种繁殖物种的爱好来关注,于是就产生了一种叫做“狗迷”的东西。在19世纪50年代之前,有很多不同的品种,或者更准确地说是地方品种的狗;人们将这些本地品种从基因上与其他种群隔离开来,并开始同类繁殖。他们创建了血统册,这样他们就能确切地知道谁是谁的后代。这本身就产生了问题,因为你一开始就有如此有限的基因可供利用,而且你还会遇到近亲繁殖萧条,创始人效应,遗传漂变等问题。

菲尔:你能解释一下你所说的近亲繁殖衰退、奠基者效应和所有这些东西是什么意思吗?

James -嗯,创始人效应本质上是一个非常小的初始群体的结果。所以不是有广泛的基因多样性来组成你的种群,而是从一个很小的数量开始选择。遗传漂变是指通过随机过程,一只狗死亡或从种群中消失……因为你有一个很小的初始群体,这往往会使基因库向特殊的方向漂移。近亲繁殖会发生这样的事情,如果种群中有一个有害基因,通常会被更多健康的显性基因所掩盖。但是如果你开始进行大量的近亲繁殖,你就会把它搞砸,你得到的是这些有害基因的表达。这些有害基因可能会降低生育能力,增加患癌症的风险,各种可能的事情都有可能发生。所以,这对动物的遗传学来说是个坏消息。事实上,人们很早就意识到了这种危险,甚至在人们对遗传学一无所知之前。

菲尔:这对今天的狗有什么影响吗?

詹姆斯:是的!所以很多品种都是近亲繁殖的。另一个事实是他们写下了所谓的品种标准,这是对品种的口头描述。有时候当你从实际的角度来看,这些品种标准有点荒谬。以英国斗牛犬为例,标准说鼻尖和前额之间的距离,本质上应该尽可能短。所以很明显,如果你是斗牛犬饲养员或斗牛犬比赛的裁判,你要找的是鼻子和前额之间距离很短的动物,或者根本没有距离,事实上斗牛犬的头部就是这样。鼻子被向后推,直到它实际上与狗的头部齐平,因此,大多数斗牛犬呼吸困难,许多斗牛犬需要手术来纠正这个问题。我敢肯定,任何人都没有想过要制造一种不能呼吸的动物。但是如果品种标准说鼻尖和前额之间应该有最小的距离,那么这就是饲养员和评委的目标。他们取得了可怕的成功。 And this is not just in reference to the dog's head, it's a problem now with the fact that many of these brachycephalic breeds, like the bulldog, the ones with the squashed faces, can't actually breed properly. The puppies have to be born by caesarean section. And this is also a product of breeding for a very large head size in relation to hip size. It's unsafe now for the female dogs to give birth naturally. Clearly when you get to that sort of point, something has gone horribly wrong with the process.

看来平脸狗真的是这类事情最糟糕的例子。那么,为什么饲养标准规定它们应该有这么短的脸,而我们却把它们养成这样呢?

詹姆斯:目前正在进行的研究表明,人们觉得这种长相非常非常有吸引力。对一些人来说,这些狗看起来有点幼稚,看起来像人类的婴儿,他们觉得它们非常可爱,非常有吸引力。在过去的十年里,这些品种的狗在欧洲和美国越来越受欢迎,比如法国斗牛犬、哈巴狗、英国斗牛犬,它们都成为了超级受欢迎的品种。

菲尔-这些狗在受苦吗?

詹姆斯:当然,毫无疑问。他们可能一辈子都在受苦。这些狗的问题是它们不能呼吸,你知道,如果你试图让它们过度运动,它们就会崩溃。他们有严重的呼吸问题,他们有各种各样的皮肤褶皱问题,他们的眼睛突出,容易受伤,因为你知道,他们会撞到树枝或地上的物体,划伤眼睛的角膜。许多这样的狗将不得不接受手术来纠正呼吸问题。在它们的一生中,它们会出现其他健康问题,这会让主人付出金钱和很多痛苦,它们可能会英年早逝。通常情况下,如果我们对动物所做的事情造成了这种程度的痛苦,我们就会有法律和规则来限制这种行为。但因为它们是宠物,它们是我们家庭的一员,所以我们对它们的看法不太一样。但我认为这在很大程度上是由于公众对已经产生的问题的无知和盲目,他们没有真正看到问题的本质。

菲尔:我能问一下,你养狗吗?

詹姆斯-是的。

菲尔-什么样的狗?

詹姆斯-这是一只普通的狗,毛茸茸的,黑色的狗,中等大小,脾气很好。我们称它为波斯尼亚猎蛇犬。这是一个笑话,他曾经遇到过一条蛇,他把它追进了一个洞里。那可能是他遇到过的最令人兴奋的事了。

兽医在看狗

11:39 -一种扁平脸的基因?

杰夫·舍内贝克(Jeff Schoenebeck)的团队正在搜罗狗的基因组,以找出导致短头畸形的原因。

基因决定了平坦的脸?
Jeff Schoenebeck,罗斯林研究所

狗的基因组承受着很大的压力。由于150年的繁殖,单一品种的狗的基因变异非常小。因此,对于那些试图揭示短头症背后的基因的人来说,这既是一个机会,也是一个挑战。Jeff Schoenebeck就是那个人。他告诉菲尔·桑索姆,他在爱丁堡罗斯林研究所的实验室是如何对附近动物医院的狗进行CT扫描的……

杰夫:我们利用这些数据,生成3D重建图,这样我们就能定量地描述狗的整体尺寸、脸的长度、脑壳的圆度……如果有残留的血液,我们称之为残差,如果我们得到主人的同意,我们就可以用这些血液样本提取DNA。因此,如果我们有了度量标准,然后我们有了狗的DNA,那么我们就可以开始建立这个人口数据集。所以我们想知道:是什么基因导致了脸的长度减少;然后我们想知道,是否有某些变化更能导致这些狗的呼吸道状况?

菲尔-就算有,也很难找到。因为每一个品种都是如此的亲缘关系,它们共享的任何基因都可能导致从更短的脸到更粗的腿到更卷曲的尾巴。因此,挑战在于将所有这些因素分离出来——如果你只有纯种牛头犬的数据,你就无法做到这一点。

杰夫:我们也从混合品种的狗身上收集数据,或者是脸略短但不像我们的牛头犬那么引人注目的狗。因此,通过利用这种混合的遗传祖先,我们可以帮助确定我们认为与形态相关的基因变化,而这些变化不一定与其他共性有关。

Phil -所以如果短脸的混血狗都和哈巴狗有相同的基因,那么你可能会发现一些东西。只要找到那个基因就行了。

杰夫:最重要的是,我们要做的是查看每只狗的基因组标记。这些标记只是简单的基因差异。

菲尔:具体来说,遗传标记是你用来比较狗的特定染色体上的特定点。关键是通过使用这些,你可以在正确的地方缩小范围,开始寻找更多的细节。这是怎么做到的呢?假设你选择一个点作为你的标记,在一号染色体的中间。在这一点上的分子可以是DNA的四种组成部分中的任何一种:A, C, G或t。假设一只狗在这一点上有A,另一只有C,这都没问题。也许短脸狗和长脸狗一样有a。但如果更多短脸狗实际上有一个C呢?这是一个提示——也许1号染色体的这一部分对矮脸很重要。你会说标记是根据脸的长度分离的。你知道吗,这正是杰夫和他的团队发现的。

杰夫:这不仅仅是一个标记,而是同一区域内的一堆标记,作为遗传学家,我们喜欢这样。事实上,我们在1号染色体上发现的一个不同之处是有一小段DNA跳到了一个基因的中间。现在,它并没有跳到基因编码蛋白质的部分,但是它还是跳到了基因的中间,导致了基因的故障。基因产物没有被正确制造出来。我们知道这个基因在骨骼发育中起着重要的作用,它是一个很好的候选基因,是缩短脸长的主要原因。

菲尔:这个基因叫做SMOC2。杰夫的团队确信这是一个重要的参与者。巴哥犬、斗牛犬和法国斗牛犬都有两个副本。但到目前为止,至少还有另外两种基因也被发现会影响狗的脸长。事实证明并没有那么简单。SMOC2并不完全是“脸长基因”。

杰夫:我们把狗的脸长度缩短描述为一种复杂的遗传特征,这意味着它不仅仅是一个基因,而是一堆基因共同作用的结果,取决于个体拥有哪种基因的味道将决定它在脸长度连续体中的位置。

菲尔-然后脸的长度只是照片的一部分。杰夫和他的团队也在专门研究呼吸问题,即短头性阻塞性气道综合征。他们开始寻找一种你意想不到的品种——诺里奇梗。

杰夫:它们不是你想象中的牛头犬或哈巴狗那样的扁脸,但这些狗中有一部分患有一种被称为“上呼吸道综合症”的疾病。这是怎么回事呢?问题是我们如何调和这两者?这种情况仅仅是诺威奇梗所特有的吗,它只是以一种与牛头犬和其他品种相似的方式伪装起来的吗?还是短头性气道阻塞综合征?也许不全是脸型的问题。

菲尔-他们认为他们已经发现了导致这种“上呼吸道综合症”的突变——一种叫做ADAMTS3的基因的问题。ADAMTS3似乎会影响气道中的液体,并且得到这个-斗牛犬和法国斗牛犬都有相同的ADAMTS3破碎版本。

杰夫:据我们所知,这与头骨形状没有任何关系。因此,这一观察结果表明,有可能存在一些可以被选择的东西,这些东西可能有助于改善它们的繁殖,而不必改变它们的头骨形状。

Phil -但是如果有可能通过繁殖消除ADAMTS3的变异,你能对研究小组发现的其他基因做同样的事情吗?像那个SMOC2吗?

杰夫:他们无法通过繁殖消除牛头犬的SMOC2基因,因为据我们所知,每只牛头犬都有我们发现的基因插入的两个拷贝。所以没有其他的牛头犬不携带它至少就我们所知。即使有,它也只占牛头犬总数的一小部分,只繁殖一群狗将是灾难性的。这将导致一个品种的基因多样性几乎崩溃,而这个品种在基因水平上已经有可能过于同质化。也许减少这些有问题的基因味道影响的最好方法是异种杂交,引入另一只狗,不是特别的斗牛犬,没有这种非常非常短的脸,以摆脱目前存在的极端短脸。我承认这是一个非常有争议的观点,但这是一种方式。所以不会有一种银色魔法……给这些狗狗的灵丹妙药。

宠物狗

20:42 - CRUFFA和更改

扁脸狗的未来会怎样?

CRUFFA和变化
杰米玛·哈里森,CRUFFA

我们一直在谈论纯种狗面临的一些遗传问题,尤其是像牛头犬和哈巴狗这样的平脸狗。未来会怎样?杰米玛·哈里森就是深陷这些问题的人。她是一名记者,也是一名活动家,她创立了一个名为CRUFFA的组织,该组织旨在负责任地使用平脸动物。她告诉菲尔·桑索姆她的任务……

杰迈玛——尽管养犬俱乐部比以前做了更多的工作,但这些狗的形状仍然是在养犬俱乐部品种标准中规定的——要求平脸,圆眼,大眼睛……它真的会自我延续下去,因为品种标准要求狗长这样,尽管这些品种标准有很小的调整。所以现在与其说‘very short’,不如说‘相当短’。但是,当你面对的是一种一直以特定方式繁殖的繁殖者文化时,所有这些短语都是毫无意义的。任何被杂交到另一个品种,带来健康或更温和的特征被视为杂种。这种看法需要改变。

Phil:是什么让你个人如此热衷于此?

杰迈玛-我一直都很喜欢狗。但是2001年我的狗死了,我的狗弗雷迪。弗雷迪是一只平毛寻回犬,这个品种在基因上真的很糟糕,因为它是一个小品种,而且是近亲繁殖的。没有任何个体的近亲繁殖程度低于同父异母的兄弟姐妹,对不起,我应该说同父异母的兄弟姐妹,与任何其他平毛的兄弟姐妹。在他死后,我发现这个品种完全被癌症和一种特殊类型的软组织肉瘤所困扰。50%的扁毛狗会在8岁或9岁时死于某种形式的癌症。不可避免地……我的意思是,不需要任何有头脑的人就能发现这是因为近亲繁殖,因为一个叫做“受欢迎的狗”的特征,如果一只公狗在比赛中大获全胜,每个人都想要它的孩子。这当然会造成基因上的破坏,因为每一代的基因库都在减少。让我害怕的是,人们竟然接受了这个事实。 I had a breeder turn round to me and say, “oh you have to love them a lot because you don't have them for long.” And I felt like strangling her, because I just felt, it doesn't have to be like that! We're really smart. I mean, what breeders do is incredible, it’s just that if they were able to turn around how they saw things, that would be something incredible. And so I'm hoping that in my lifetime I will see some real change that would make me incredibly happy. I mean, I am... someone once said to me a, flatmate years ago in London, I said to a flat girl, “well of course I've always been half dog.” And they said to me, “hmm, I don't think there's that much human in you.”

菲尔:那么你的理想世界是什么呢?

杰迈玛-哦,天哪。在这个世界里,我们懂得狗就是狗,而不是婴儿。它应该有一双功能正常的眼睛,一个有效的呼吸系统,一个可以自然交配和生育的身体……我希望狗就是狗。

如果你面前有一只哈巴狗、一只英国斗牛犬或一只法国斗牛犬饲养员,或者你的主人,你会对他们说什么?

杰迈玛-我们得好好对待这些狗。狗狗们绝对地、毫不含糊地、不加评判地爱着我们,而我们却在伤害它们。所以我恳请所有养了短头畸形狗的人好好爱它们,但不要再养了。

小狗布鲁斯在Illumina外面用棉签擦拭他的嘴。

结果:布鲁斯的基因组
朱利安·格林和厄休拉·阿恩特,Illumina

机器一直在嗡嗡作响,电脑一直在计算黑色拉布拉多小狗布鲁斯的基因序列。现在他的结果出来了。我们的记者阿米莉亚·史密斯采访了Illumina的科学家朱利安·格林和厄休拉·阿恩特。布鲁斯的DNA有什么秘密?

朱利安-布鲁斯的基因组就像一本巨大的书,在某种程度上就像哈利波特系列的几本拷贝。但我们从测序器中得到的是非常短的文本片段,比如单个单词或句子的片段。现在,为了分析这一点,我们要做的就是把这些文本放在一起。

阿米莉亚:所以你基本上是把书重新整理好了,所有的句子和章节都在正确的地方?

朱利安:没错。这就是我们所做的。我们这样做的方法是,我们有一个普通狗基因组的模板,有了这个模板,我们可以把这些单独的片段,这些单独的片段,把它们放在一起。然后我们可以在基因组中寻找所谓的变异或改变,这将告诉我们布鲁斯的基因组与普通狗的基因组有何不同。

艾米莉亚-这到底给你什么启示?你发现了什么?

厄休拉:我们发现你的小狗看起来像拉布拉多犬,从基因上看也很像拉布拉多犬。

阿米莉亚-那么布鲁斯是狼的后代的可能性有多大?

朱利安:他更像狼,而不是猫或人。这就是我们在数据中看到的。通过观察不同品种的狗,我们可以看到,例如,哈士奇仍然与狼非常相似;然后是拉布拉多犬,它们在中间;与狼截然不同的是狗的品种,比如哈巴狗、吉娃娃或梗犬。

艾米莉亚-你在布鲁斯的唾液里还发现了什么?

乌苏拉-这是个好问题。所以我们对此很感兴趣。大部分DNA都是狗的但也有一点细菌。大多数细菌都是正常的,我们可能发现了一点植物,这说得通,因为他在我们取样的时候一直在嚼东西,对吧。我们没有发现我们预期的那么多细菌。布鲁斯只有12周大,所以我认为他的微生物群可能还在发育,直到他成年,就像人类的孩子一样。

Julian -我认为如果你现在看一下Bruce的数据集和对他基因组的理解它可能是我们目前拥有的最好的测序狗。所以在他的基因组中可能会发现更多有趣的东西。我们要做的下一件事就是找到可爱基因,弄清楚为什么他看起来这么可爱。

阿米莉亚-非常感谢你对布鲁斯的DNA所做的研究。

一只狗炫耀它的小狗眼睛

27:29 -小狗的眼睛

没有可爱的基因,但这是次好的事情……

小狗的眼睛

我们已经对黑色拉布拉多小狗布鲁斯的基因组进行了排序,但我们找不到一个可爱的基因。他确实有。好吧,也许没有可爱的基因,但动物学记者露西·科尔有一个仅次于可爱的故事。

你有没有想过你的狗狗能在合适的时候做出最可爱的小狗狗的眼睛?英国和美国的研究人员发现,狗实际上已经进化出了脸部的一块特殊肌肉,使它们能够做到这一点。它就在眉毛上方它被称为眼内侧提角肌。它可以让狗狗抬起眉毛的内角,创造出那些毫无疑问的小狗眼睛。

在这项研究中,研究人员解剖了狗和狼来比较它们。事实证明,狼没有这种额外的肌肉,所以狗自从大约3.3万年前被驯化以来,似乎已经发展出了这种肌肉。事实上,研究小组发现,西伯利亚哈士奇——一种与狼关系更近的古老犬种——是唯一没有这种基因的物种。这意味着它只花了几万年的时间就进化出来了,从进化的角度来说,这是非常快的!

我们还不知道提眼内侧角肌背后的基因,但肌肉是复杂的结构,进化出一个新的肌肉可能需要一些巨大的基因变化。为什么会发生这种事?这就是研究的下一部分要调查的。研究人员测试了活狗和狼在陌生人接近它们时的反应。狗比狼更常扬起眉毛,而且扬起的方式也夸张得多。

理论是,用这块肌肉扬起眉毛实际上有助于狗与我们建立社会联系,让我们想要照顾它们。扬起眉毛会使他们的眼睛更大,更像人类儿童的眼睛,这在我们身上引起了一种关心的反应。也许在3.3万年前,我们的祖先更有可能把狗从寒冷中带回来保护它,如果它能扬起眉毛,看起来更像一个人类婴儿的话。

事实上,在之前的一项研究中,同样的研究人员发现,扬起眉毛的狗会更快地被领养中心收养。因此,如果被收养会让狗的基因有更好的生存机会,那么即使在今天,拥有更多小狗特征的狗也可能具有选择优势。

所以,下次当你发现自己看着小狗狗的眼睛,原谅你的狗狗的不当行为时,请记住,这完全是我们的错。

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