從精力充沛的邊境牧羊犬到友善的金毛尋回犬，如今存在 350 多個犬種，每個犬種都具有特定的身體和行為特徵。儘管之前關於犬類基因組的研究已經揭示了犬種之間體型和形狀變異的遺傳基礎，但複雜行為（狩獵、放牧、守衛、指示、拉套等等）的遺傳基礎一直是一個難以破解的難題。
現在，美國國家人類基因組研究所 (NHGRI) 的研究人員發現，大約八個主要犬類譜系的祖先關係與獨特的行為相對應。因此，研究人員可以確定這些行為的潛在遺傳基礎。一項主要發現是，許多參與軸突引導（決定神經元在大腦中如何相互連線）的基因在多個譜系中發生了改變，尤其是在牧羊犬譜系中。研究人員表示，由於影響狗大腦發育和行為的基因很可能對人類也產生相同的影響，因此識別與狗基因組中與行為相關區域相對應的人類基因組位置的遺傳變異，可能會為人類行為和精神疾病的遺傳基礎帶來新的見解。
亞利桑那大學亞利桑那犬類認知中心主任埃文·麥克林（Evan Maclean）說：“當我們思考選擇在犬種進化中發揮作用的地方時，這篇論文將行為重新帶回了最前沿。” 他沒有參與這項研究。“雖然我們確實為審美特徵做了很多育種工作，但這項工作清楚地表明，許多遺傳作用都發生在與大腦相關的途徑中（因此可能與行為和認知有關）。”
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始於 1990 年代初的犬類基因組計劃使研究人員能夠繪製疾病基因以及體型、腿長和體形等性狀的基因圖譜。 但“事實是，犬類基因組計劃背後的真正動機始終是尋找行為基因”，NHGRI 專案負責人兼這項新研究的資深作者伊萊恩·奧斯特蘭德 (Elaine Ostrander) 說。 犬種具有各種刻板行為，但事實證明，直到現在，識別這些行為背後的基因極其困難，她解釋道。
為了應對這一挑戰，NHGRI 奧斯特蘭德實驗室的博士後研究員、這項新研究的第一作者艾米麗·杜特羅 (Emily Dutrow) 使用了受單細胞測序啟發的方法——一種現在廣泛部署的技術，用於對來自單個細胞的 RNA 指令或轉錄本進行測序，以瞭解體內各種細胞型別的功能和相關性。 她沒有將該方法應用於一組細胞轉錄本（即轉錄組），而是將其應用於犬類基因組，以識別犬種的祖先關係。 杜特羅說，使用來自 4,000 多隻狗的基因組資料（樣本由世界各地的狗主人與犬類基因組計劃共享），“我能夠梳理出地球上存在的所有犬種之間這些非常古老的關係”。
透過首先識別這些祖先群體或譜系，研究人員隨後可以尋找每個譜系沿線的進化變化。 並且由於這些譜系恰好乾淨地歸入八個行為群體，因此有可能確定基因組的哪些部分使牧羊犬與看門犬不同。 為了做到這一點，研究人員將他們的基因組分析與大約 15 年前在賓夕法尼亞大學獸醫學院進行的一項針對 40,000 多隻狗的調查的行為資料聯絡起來。
亞利桑那犬類認知中心的博士候選人吉坦賈利·格納納德西坎（Gitanjali Gnanadesikan）說：“這篇論文使用了一個新的框架來思考犬種之間的關係。” 他沒有參與這項研究。“在進化生物學中，我們傾向於將物種或譜系之間的關係視為分支樹。 雖然這有其地位，但犬種尤其複雜，因為它們不是獨立的物種，並且存在大量的種間雜交，尤其是在犬種形成時期。 這種新框架能夠以一種實現新分析的方式來獲取這些複雜的關係，並對其進行視覺化和量化，這令人興奮。”
普林斯頓大學研究犬類祖先的基因組學家布里奇特·馮霍爾特 (Bridgett vonHoldt) 也對此表示贊同，她也沒有參與這項工作。 這種她稱之為“令人難以置信的優雅”和“令人印象深刻”的新方法，使研究人員不僅可以將純種犬，還可以將混血犬納入他們對行為潛在遺傳學的研究中。 她將這項工作描述為該領域的“里程碑式研究”。
研究人員的分析揭示了馮霍爾特稱之為“犬類世界”的八個主要軌跡：梗犬、雪橇犬、牧羊犬和牧牛犬、視覺獵犬、尖嘴犬和“原始型別”犬、嗅覺獵犬、指示犬和尋回犬。
該團隊發現，整套基因都參與了不同犬類世界譜系中特定行為的進化。 這與僅受少數基因調控的體型和毛色等性狀形成對比。 “行為要複雜得多，”奧斯特蘭德解釋說。 “因此，它將涉及更多的基因組。” 研究人員還確定，大多數與行為相關的遺傳變異都位於基因區域，這些區域負責開啟或關閉其他基因，而不是提供製造蛋白質指令的編碼區域。 這意味著微調編碼基因在生命早期被啟用的時間和地點尤其重要。 “從根本上說，你需要所有這些基因。 只是你想向上或向下微調它們，以獲得這些細微的行為變化，”奧斯特蘭德說。
研究人員檢查了與特定譜系相關的基因變異在發育過程中啟用的位置和時間，他們發現其中許多基因變異在大腦形成時被啟用。 最顯著的是，許多與牧羊犬譜系相關的基因變異都與軸突引導有關，即神經元相互連線的過程。
“對我來說，這令人難以置信地引人注目，”奧斯特蘭德說。 “我當然沒想到會這樣。 我以為它們會是來自整個神經系統的基因，做各種不同的事情。 我沒想到一條通路對於執行這些行為如此重要。” 例如，修改可能涉及大腦某個部位的細胞數量或不同細胞型別的比例。 “但實際上，真正重要的是大腦的不同部分如何相互交流”，杜特羅解釋說，這對於決定這些行為至關重要。
研究人員發現，八個犬類世界中大腦和行為的許多變異都與動機和學習有關。 例如，杜特羅說，嗅覺獵犬需要成為自我導向的學習者，他們可以跟隨自己的鼻子，而不是受人類方向的影響。 但協助主人尋找和尋回獵物的獵槍犬需要與主人緊密同步，她補充道。
然而，與這些譜系相關的基因變異並非完全與大腦和行為調節有關。 例如，研究人員確定，在視覺獵犬中，大多數基因變異都與肌肉系統有關。
另一個重要的發現是，該團隊鑑定出的大多數遺傳變異都已存在於狼身上。 “這可以追溯到這樣一種觀點，即今天我們狗身上所有變異的基本成分在很大程度上都存在於狼的祖先身上，”麥克林說。 但狼祖先的變化在不同的犬類譜系中是不同的。 “這對我來說很有趣，因為它真正強調了狗的多樣性，以及進化如何在這些譜系中透過選擇和[隨機]遺傳漂變向不同方向發展，”格納納德西坎說。
這項研究為更詳細地研究每個犬類譜系以及使該譜系獨一無二的原因奠定了基礎。 此外，奧斯特蘭德希望獲取與行為相關的遺傳變異，這些變異在一個犬類譜系與另一個犬類譜系之間有所不同，並檢視人類基因組相應區域的變異。 她說，影響狗行為的基因很可能也會對人類行為產生影響。 由於犬種具有刻板行為，並且遺傳背景的變異不如人類那麼多，因此它是“更好地瞭解其中一些調控區域的真正作用的起點”，奧斯特蘭德補充道。 她認為，最終，這些比較研究可能會為人類行為帶來新的見解，包括與神經精神疾病相關的行為。