background image

 

/ www.sciencexpress.org / 28 June 2007 / Page 1 / 10.1126/science.1139518 

The world’s domestic cats carry patterns of sequence 
variation in their genome that reflect a history of 
domestication and breed development. A genetic 
assessment of 979 domestic cats and their wild progenitors 
(Felis silvestris
 silvestris â€“ European wildcat; F. s. lybica â€“ 
Near Eastern wildcat; F. s. ornata
 â€“ Central Asian 
wildcat; F. s. cafra
 â€“ sub Saharan African wildcat; and F. 
s. bieti
 â€“ Chinese desert cat) indicated that each wild 
group represents a distinctive subspecies of Felis silvestris. 
Further analysis revealed that cats were domesticated in 
the Near East, likely coincident with agricultural village 
development in the Fertile Crescent. Domestic cats derive 
from at least five founders from across this region, whose 
descendents were subsequently transported across the 
world by human assistance. 

The domestic cat may be the world’s most numerous pet, yet 
little is certain of the cat’s origin (

1–9

). Archaeological 

remains and anthropological clues suggest that, unlike species 
domesticated for agriculture (e.g., cow, pig, sheep), or 
transport (horse, donkey), the cat began its association with 
humans as a commensal, feeding on rodent pests infesting 
grain stores of the first farmers (

1

). The earliest evidence of 

cat –human association involves their co-occurrence in 
Cyprus deposits aged at 9500 years ago (

6

). Domestic cats are 

generally considered descendant of the Old World wildcats 
but differ from these hypothesized progenitors in behavior, 
tameness, and coat color diversity (

9, 10

). Further, domestic 

cats appear to lack neotenous characteristics typical of other 
domesticated species (

11

). 

 

Felis silvestris

, from which domestic cats were derived, is 

classified as a polytypic wild species composed of three or 
more distinct inter-fertile subspecies: 

F

s. silvestris

 in 

Europe, 

F. s. lybica

 in Africa and the Near East, and 

F. s. 

ornata

 in the Middle East and Central Asia (

1, 2, 12–15

) and 

possibly the Chinese desert cat, 

F. s.. bieti

 (inset Fig. 1A). 

The domestic cat is sometimes considered an additional 
subspecies, 

F. s. catus

, possibly derived from wildcats in the 

Middle East or Egypt (

1, 12, 14, 15

). The imprecise sub-

specific status of 

F. silvestris

 populations, and relationship of 

the domestic cat within this assemblage stems from 
morphological similarities among these groups (

1, 13

). A 

feral domestic cat with a â€œwild-type” mackerel tabby pattern 
is difficult to distinguish visually from a “true” wildcat (

15, 

16

) which is further confounded by ongoing admixture (

16–

19

). Furthermore the relationship between 

F. silvestris

 and 

the Chinese desert cat, which may be a separate 

Felis

 species, 

Felis bieti

 or a wildcat subspecies 

F. silvestris bieti 

(

9, 12

), is 

uncertain. The sand cat, 

F. margarita

, a distinct species of

 

Felis 

which ranges across North Africa and the Middle East, 

is the closest outgroup of the 

F. silvestris/bieti

 complex on 

the basis of morphological and molecular data (

12, 13, 20

). 

 

To investigate the relationships among domestic cats, their 

indigenous wild progenitors and related species of the genus 

Felis

, we collected tissue from 979 individuals (fig. S1; see 

table S1 for breakdown of number of cats tested for different 
genetic markers) including putative wildcats and feral 
domestic cats on three continents (N = 629), fancy breed 
domestic cats (N = 112), sand cats (

Felis margarita

, N = 11), 

and Chinese desert cats (

F. s. bieti

, N = 5). We extracted 

DNA and genotyped 851 cats for 36 variable short tandem 
repeat (STR) or microsatellite domestic cat loci (

21

) variable 

in 

F. silvestris

F. s. bieti

,

 F. margarita

, and domestic cats, 

and sequenced 2604 bp of mitochondrial DNA (mtDNA) 
genes 

ND5

 and 

ND6 

from 742 cats. 

 

Neighbor-joining phylogenetic analyses for STR 

genotypes with kinship coefficient (

Dkf

)

 

and proportion of 

shared alleles (

Dps

)

 

genetic distance estimators provided 

concordant topologies that specified six clusters (Fig. 1B; 
referred to here as “clades” as also specified mtDNA 
phylogenetic analyses; see below ) corresponding to the 
following subspecies designations: 1) 

F.s. silvestris

 wildcats 

from Europe, (STR-Clade I-green in Fig. 1); 2) 

F.s. ornata

 

wildcats from central Asia east of the Caspian Sea (STR-
Clade III-purple); 3) 

F. s. lybica,

 wildcats from the Near East 

(STR-Clade IV-beige); 4) 

F.s. cafra

 wildcats from Southern 

Africa (STR-Clade II-blue); 5)

 F. s. bieti

, Chinese desert cats 

(STR-Clade V-red); and 6) 

F. margarita

, sand cat (STR-

Clade VI-black). 

Felis cafra

 was first named in 1822 and 

renamed as 

Felis lybica cafra

 subspecies in 1944 on the basis 

The Near Eastern Origin of Cat Domestication 

Carlos A. Driscoll,

1,2

* Marilyn Menotti-Raymond,

1

 Alfred L. Roca,

3

 Karsten Hupe,

4

 Warren E. Johnson,

1

 Eli Geffen,

5

 Eric 

Harley,

6

 Miguel Delibes,

7

 Dominique Pontier,

8

 Andrew C. Kitchener,

9

 Nobuyuki Yamaguchi,

2

 Stephen J. O’Brien,

1

* David 

Macdonald

2

1

Laboratory of Genomic Diversity, National Cancer Institute, Frederick, MD 21702, USA.

 2

Wildlife Conservation Research 

Unit, Department of Zoology, University of Oxford, Oxford OX1 3PS, UK. 

3

Laboratory of Genomic Diversity, SAIC-Frederick 

Inc., NCI-Frederick, Frederick, MD 21702, USA. 

4

Jagd Einrichtungs BĂŒro, Am Sahlbach 9a, 37170 FĂŒrstenhagen, Germany. 

5

Department of Zoology, Tel Aviv University, Tel Aviv 69978, Israel. 

6

Division of Chemical Pathology, University of Cape 

Town, Observatory 7925, Cape Town, South Africa. 

7

Department of Applied Biology, EstaciĂłn BiolĂłgica de Doñana, CSIC, 

Avda Maria Luisa s/n PabellĂłn del PerĂș, 41013 Sevilla, Spain. 

8

UMR-CNRS 5558 BiomĂ©trie et Biologie Evolutive, UniversitĂ© 

Claude Bernard Lyon I, 43 boulevard du 11 novembre 1918, 69622 Villeurbanne, France. 

9

Department of Geology and Zoology, 

National Museums of Scotland, Edinburgh EH1 1JF, Scotland, UK. 

*To whom correspondence should be addressed.

 

E-mail: obrien@ncifcrf.gov; driscoll@ncifcrf.gov; 

david.macdonald@zoology.oxford.ac.uk 

background image

 

/ www.sciencexpress.org / 28 June 2007 / Page 2 / 10.1126/science.1139518 

of a description of a wildcat specimen captured near 
Kaffraria, South Africa (

9

), an area from whence our sub-

Saharan African wildcat samples derive. 
 

The composite STR genotypes of all known domestic 

house cats, fancy cat breeds, and feral domestic cats 
occurring in the wild populations all fell within a large 
monophyletic group (Clade IV-beige) that also included 
wildcats from the Near East. The phylogenetic tree suggests 
that domestication occurred in the near East where STR-
Clade IV wildcats live today. This inference was further 
explored by examining mtDNA variation, STR variation, and 
ongoing admixture hybridization in the study areas (

17–19

). 

 

Phylogenetic analysis of 

ND5

 and 

ND6

 sequence reveals 

245 parsimony informative sites specifying 176 distinct 
mtDNA genotypes (Fig. 2A, fig. S2, and table S2). The 
mtDNA haplotypes were analyzed with Bayesian Monte 
Carlo-Markov chain (MCMC), maximum parsimony, 
Maximum Likelihood (ML), and distance based methods (

22, 

23

). All methods resulted in identical topologies for the 

principal groupings corresponding to both geographic origins 
and STR clade designations. The consensus mtDNA gene tree 
(Fig. 2A), rooted with 

F. margarita

, shows 

F. s. bieti

 basal to 

F. silvestris

, as inferred from morphology. However, the short 

branch lengths and relatively weak bootstrap support for the 
node separating 

F. s. bieti

 from 

F. silvestris

 (27-68% 

bootstrap- BS) indicates a close genetic relationship between 
these two taxa, supporting the grouping of 

F. s. bieti

 and 

F. 

silvestris

 as a single species, 

F. silvestris

 The 

Felis silvestris

 mtDNA haplotypes fall into specific 

geographic locales (Fig. 2A). A basal lineage (Clade I - 

F.s. 

silvestris

 â€“ European wildcat â€“ green), is found in European 

populations from Scotland and Portugal in the east, to 
Hungary and Serbia in the west, and is sister to 

F. silvestris

 

from Asia, Africa, and domestic cats. An early/basal 
European versus Africa/Asia divergence supported by recent 
morphological studies of fossil specimens of wildcats (

15, 24

may reflect a post-glacial re-population of Europe from 
Iberian founders as previously suggested (

9, 15, 24

). 

 

Beyond Europe, mtDNA clades II, III and IV correspond 

with geography and STR analysis (Fig. 2A). Within mtDNA 
Clade IV we identified five principal lineages of mtDNA 
haplotypes (A-E; Fig. 2A) with no obvious phylo-geographic 
association among these lineages. Domestication appears to 
have occurred within the Near Eastern region where Clade IV 
wildcats are currently extant (beige, Fig. 2A) since clade IV 
wildcats and domestic cats are monophyletic. 
 

Due to hybridization of wildcats and feral domestic cats, 

domestic cat mtDNA haplotypes (Clade IV-beige in Fig. 2A) 
are commonly found in European, African and central Asian 
populations along with indigenous wildcat haplotypes (Fig. 
1A). The observed genetic admixture may be explained by 
the presence of feral domestic cats or by hybridization 
between wildcats and domestic cats. Hybrid individuals 
carrying one mtDNA Clade genotype but a different STR-
Clade genotype can be identified. Such cyto-nuclear 
discordant individuals were common in our dataset (Figs. 1B 
and 2A). Of cats sampled for both STR and mtDNA 
genotypes, seven of the 472 cats in STR-Clade IV are 
discordant, with a wildcat mtDNA type (Fig. 1B). However, 
among 108 putative European wildcats (on the basis of STR 
genotype; Fig. 1B), 28 carry the Clade IV (domestic) mtDNA 
type as do 3 of 13 southern African (STR-Clade II) wildcats. 

The wildcats in central Asia (STR-Clade III – purple) include 
the highest frequency of discordant individuals (mtDNA 
clades III and IV; Fig. 1B), perhaps due to incomplete lineage 
sorting or recent gene flow between adjacent populations 
(Fig. 2A). 
 

We implemented the Bayesian population genetic analysis 

program STRUCTURE which assesses population 
subdivision (

25

) and characterizes genomic evidence of 

recent hybridization. STRUCTURE analyses of the 851 STR 
genotypes placed cats into discrete population clusters 
corresponding to European, African, and Central Asian 
wildcats and identified subdivision of domestic cats from 
different regions (Fig. 2B). Interestingly we identified a 
discrete population of wild and domestic cats from Near East 
Asia (brown group in Fig. 2B) distinct from the other 

F. 

silvestris

 subspecies and three subgroupings of domestic cats. 

These 15 individuals have concordant mtDNA and STR 
phylogenies identical to domestic cats and were collected in 
remote deserts of Israel, United Arab Emirates, Bahrain, or 
Saudi Arabia. These data suggest that these Near Eastern 
wildcats may represent the ancestral founder population of 
domestic cats supporting a domestication origin in the Near 
East. 
 

Identification of hybrids (Q < 0.8) revealed that some 

(~22%) of the identified cyto-nuclear discordant cats in Figs. 
1B and 2A showed evidence of recent hybridization. Because 
of this we removed 81 hybrid cats defined by STRUCTURE 
and generated new phylogenies combining the STR 
genotypes of cats grouped within the distinct populations 
(Fig. 2C). This analysis re-affirms the recognition of the 
major 

F. silvestris

 subspecies groups illustrated in Fig. 1A 

and the distinctiveness of Near East wildcats as the closest 
group to all domestic cats. The results also suggest a close 
affinity between 

F. s. bieti

 (Chinese desert cat) and the Asian 

wildcats (Clade III and IV), plus paraphyly of other 

F. 

silvestris 

subspecies with respect to 

F. s. bieti

 in support of 

the recognition of 

F.s. bieti 

as a

 

subspecies of 

F. silvestris

 

(Fig. 2C). 
 

The coalescence-based age of mtDNA ancestral nodes for 

domestic cats (Clade IV) and all 

Felis silvestris

 mtDNA 

lineages was estimated with the linearized tree method (

26

). 

After fulfilling the requirement for molecular clock rate 
homogeneity across all lineages (table S4) we constructed a 
NJ algorithm on the basis of the linearized tree with Kimura 
two-parameter distances. We adopted a sequence divergence 
rate of 2.24 bp/MY, specific for the 

ND5

 and 

ND6

 genes (

27

expecting one new variant (0–2) in the most recent 17,000 
year period of domestic cat ancestry (see SOM text). Indeed 
90% of the domestic cats within the five lineages (A-E in Fig. 
2A) share haplotypes that are 0-3 bp apart, reflecting modest 
mutation accumulation within lineages. By contrast, the 
estimated coalescent date on the basis of the mtDNA data for 
all 

Felis silvestris 

(including 

F. s. bieti

) subspecies is 230,000 

years ago while the estimated age for the ancestor of 

F. s. 

lybica

 and domestic cats is 131,000 years. Other methods of 

date estimation suggested a range from 107,000 to 155,000 
years (SOM text). These estimates are all greater by an order 
of magnitude than archaeological evidence for cat 
domestication (

6

). The persistence of five well supported 

mtDNA lineages dating back a hundred thousand years prior 
to any archaeological record of domestication would suggest 

background image

 

/ www.sciencexpress.org / 28 June 2007 / Page 3 / 10.1126/science.1139518 

that domestic cats originated from at least five matrilineal 
mtDNA haplotypes . 
 

The variation described here is important for conservation 

and management of free ranging cat species for (

16, 28

). In 

table S6 we present a full list of population specific (private) 
STR alleles as well as mtDNA population specific site 
genotypes suitable for assessment of a wildcat’s population, 
subspecies of origin and distinction from domestic cats. The 
domestication of wild species to complement human 
civilization stands as one of the more successful â€˜biological 
experiments’ ever undertaken. For cats, the process began 
over 9,000 years ago as the earliest farmers of the Fertile 
Crescent domesticated grains and cereals as well as livestock 
animals (

1, 3, 4, 29–31

). In parallel the endemic wildcats of 

the region may have adapted by both regulating the rodents in 
the grain stores and abandoning their aggressive wild-born 
behaviors. The archaeological imprints left in the genomes of 
living cats here weigh into inferences around the timing, steps 
and provenance of domestication, a dynamic exercise 
depicted in art, in history, and in human cultural development 
since recorded evidence began. 

References and Notes 

1. J. A. Clutton-Brock,

 Natural History of Domesticated 

Mammals

 (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1999). 

2. A. Kitchener 

The Natural History of the Wild Cats

 

(Comstock Associates, Ithaca, NY, 1991). 

3. G. Stephens, T. Yamazaki, 

Legacy of the Cat: The 

Ultimate Illustrated Guide 

(Chronicle, San Francisco, 

2001). 

4. S. Budiansky, 

The Covenant of the Wild: Why Animals 

Chose Domestication 

(Yale Univ. Press, New Haven, CT, 

1999). 

5. J. M. Legay, 

C. R. Acad. Sci. III 303

, 709 (1986). 

6. J. D. Vigne 

et al

., 

Science

 

304

, 259 (2004). 

7. M. D. Donalson, 

The Domestic Cat in Roman Civilization

 

(Mellen, New York, 1999). 

8. B. Kurten, 

Acta Zool. Fenn. 111

, 3 (1965). 

9. R. I. Pocock, 

Catalogue of the Genus 

Felis (British 

Museum Natural History, London, 1951). 

10. C. M. Vella, L. M. Shelton, J. J. McGonagle, T. W. 

Stanglein, 

Robinson’s Genetics for Cat Breeders & 

Veterinarians

 (Elsevier Science, Edinburgh, 2003). 

11. D. W. Macdonald 

et al

., 

Adv. Ethol.

 

28

, 1 (1987). 

12. K. Nowell, P. Jackson, 

Status Survey and Conservation 

Action Plan, Wild Cats 

(International Union for 

Conservation of Nature and Natural Resources, Gland, 
Switzerland, 1996). 

13. M. E. Sunquist, F. Sunquist, 

Wild Cats of the World

 

(Univ. of Chicago Press, Chicago, 2002). 

14. R. I. Pocock, 

Proc. Zool. Soc. London

 656 (1907). 

15. E. Randi, B. Ragni, 

J. Mammal

72

, 79 (1991). 

16. D. W. Macdonald, M. J. Daniels, C. Driscoll, A. C. 

Kitchener, N. Yamaguchi, 

The Scottish Wildcat: Analyses 

for Conservation and an Action Plan

 (2004). 

17 M. Beaumont 

et al

., 

Mol. Ecol.

 

10

, 319 (2001). 

18 E. Randi 

et al

., 

Mol. Biol. Evol.

 

18

, 1679 (2001). 

19 R. Lecis 

et al

., 

Mol. Ecol. 15

, 119 (2006). 

20. W. E. Johnson 

et al

.,

 Science

 

311

, 73 (2006). 

21. M. Menotti-Raymond 

et al

., 

Cytogen. Gen. Res.

 

102

, 272 

(2003). 

22. D. L. Swofford, 

Phylogenetic Analysis Using Parsimony 

(PAUP)

 (Natural History Survey, Champaign, IL, 1985). 

23. J. P. Huelsenbeck, F. Ronquist, 

Bioinformatics

 

17

,

 

754 

(2001). 

24. N. Yamaguchi 

et al

., 

Anim. Conserv.

 

7

, 339 (2004). 

25. J. K. Pritchard, P. Donnelly, 

Theor. Popul. Biol.

 

60

, 227 

(2001). 

26 N. Takezaki 

et al

., 

Mol. Biol. Evol.

 

12

, 828 (1995). 

27. J. V. Lopez, M. Culver, J. C. Stephens, W. E. Johnson, S. 

J. O’Brien,

 Mol. Biol. Evol.

 

14

, 277 (1997). 

28. S. J. O’Brien, W. E. Johnson, 

Annu. Rev. Genomics Hum. 

Genet.

 

6

, 407 (2005). 

29. K. Tanno, G. Willcox, 

Science 311

, 1886 (2006). 

30. G. Willcox, in 

13th IWGP Symposium

, R. Buxo, S. 

Jacomet, F. Bitmann, Eds. (Springer, Girona, Spain, 2005), 
pp. 534–541. 

31. P. L. Morrell, M. T. Clegg, 

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 

104

, 3289 (2007). 

32. We thank M.W. Smith, A. Schmidt-Kuntzel, C. O’hUigen 

and B. Gold for discussion and A. Bruksch, A. Brandt, S. 
Rosendale and F. listed in fig. S1 who provided biological 
specimens employed in this study.

 

All tissues were 

collected in full compliance with Federal Fish and Wildlife 
permits [Conservation on International Trade in 
Endangered Species of Wild Fauna and Flora (CITES)] 
issued to the National Cancer Institute, National Institutes 
of Health (principal officer S. J. O.) by the US Fish and 
Wildlife Service of the Department of the Interior.

 

Funded 

in part by the National Cancer Institute, National Institutes 
of Health,(N01-CO-12400) and the Intramural Research 
Program of the NIH, National Cancer Institute, Center for 
Cancer Research. Sequences have been deposited in 
Genbank with accession numbers: EF587016 to EF587179 

 
Supporting Online Material 

www.sciencemag.org/cgi/content/full/1139518/DC1 
SOM Text 
Tables S1 to S6 
Figs. S1 and S2 
References 

4 January 2007; accepted 18 June 2007 
Published online 28 June 2007; 10.1126/science.1139518 
Include this information when citing this paper. 

Fig. 1.

 (

A

) Current range of 

Felis silvestris

, and areas of 

sample collection. Colored regions reflect the location of 
capture of individuals carrying different STR clade genotypes 
(defined in box at lower left). Mitochondrial DNA (mtDNA) 
haplotype frequencies are indicated in pie charts specifying 
the number of specimens carrying each mtDNA haplotype 
clade. Central Asian indicates Asian cats east of the Caspian 
Sea. Near East indicates Israel, Saudi Arabia, Bahrain, and 
the United Arab Emirates. European include specimens 
collected west of the Caspian Sea. Domestic cats, 

F. s. catus

 

are distributed world wide and overwhelmingly carry Clade 
IV mtDNA haplotypes (beige). Inset: Current and historic 
range of 

F. silvestris

 subspecies on the basis of traditional 

morphology based taxonomy (

2, 12, 13

). The Chinese desert 

cat, is referred to throughout as a wildcat subspecies,

 F. 

silvestris bieti 

(

9, 12

) as supported by data presented here. (

B

STR based phenogram

 

of 851 domestic and wild specimens 

created on the basis of short tandem repeats (STR) Dps 
genetic distance and minimum evolution (Neighbor Joining) 
algorithm. Color groups correspond to geographic locales 
specified in A. Solid symbols indicate cyto-nuclear discordant 
individuals which contain a STR composite clade of the 

background image

 

/ www.sciencexpress.org / 28 June 2007 / Page 4 / 10.1126/science.1139518 

indicated cluster, but a mtDNA of an alternative locale (see 
text). In parentheses are the number of cats in each STR 
Clade that carry various mtDNA clade haplotypes. 

Fig. 2

. (

A

)

 

Phylogenetic tree of mitochondrial DNA sequence 

(MinimumEvolution/Neighbor Joining phylogram of 2604 bp 
of the ND5 and ND6 gene) of 176 haplotypes discerned from 
742 cats sampled across the range of the

 

domestic cat 

European, Asian and African wildcat, Chinese desert cat and

 

sand cat. Trees created from Bayesian, ML and MP methods 
result in identical topologies for clade groupings. 
Confidence/bootstrap values (Bayes/MP/ML/ME) are based 
on 1000 iterations and are adjacent to nodes. The number of 
single nucleotide differences is indicated in red below the 
corresponding branch. Clade designations and number of 
individuals is indicated in parentheses following the 
corresponding common name and taxonomic trinomial. A 
through E designate lineages within mtDNA clade IV. 
Confidence/Bootstrap values for these nodes are as follows: 
A, 1.00/87/71/54; B, 1.00/82/80/80; C, 0.97/63/59/42; D, 
1.00/98/99/88; E, 1.00/100/100/82 (as above). Purple and 
brown tree limbs within mtDNA clade IV reflect individual 
from two locales that bear cyto-nuclear discordant mtDNA 
vs. STR genotypes (see text). Beige Clade IV bearing 
mtDNA haplotypes are found among domestic cats, in wild 
potentially admixed populations in Europe, Asia, or Africa 
(see Fig. 1A), and in Near Eastern wildcats (see text). (

B

STRUCTURE based populations resolved 851 cats into 
several wildcat groups ,three domestic cat groups, plus one 
group (brown) which included both domestic cats and Near 
East wildcats. Y-axis represent Q-value, the percent 
representation of resolved populations (colors) within each 
individual (listed on X-axis).

 

(

C

) Phylogenetic relationships 

among 

Felis silvestris

 groups as defined by composite STR 

genotypes based on 36 STR loci. Tree is rooted at Sand Cat. 
Bootstrap values at corresponding nodes from 1000 
interations with the following measures: Dps 1-(ps)/Dkf 1-
(kf)/Dps-In/Dkf-In. All methods result in identical topologies. 
Individuals were clustered into representative populations 
based on STRUCTURE Q-value of 0.80 or greater with the 
same loci (see text). It is notable that all known domestic cats 
cluster into domestic-Asia, domestic-Europe or with Near 
East wildcats, regardless of provenance, and that these groups 
cluster together. Number of taxon specific alleles in red. 

 

background image
background image