• Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Pentru corespondență: xzw0070 @ auburn.eduavk @ illinois.eduac347 @ cornell.edu

Contribuit de Andrew G. Clark, 6 august 2018 (trimis spre revizuire 17 ianuarie 2018; revizuit de Hopi E. Hoekstra și Robert K. Wayne)

genomice

Semnificaţie

Comportamentul animalelor domesticite diferă în mod dramatic de cel al rudelor sălbatice, iar experimentul vulpei îmblânzite ruse a demonstrat în mod clar că aceste schimbări pot apărea în doar câteva generații de selecție. Analiza expresiei genelor în creierul vulpilor blânde și agresive din acest experiment ne permite să ne întrebăm ce căi cerebrale au fost modificate de această recentă selecție puternică. Căile care influențează atât funcția neuronilor serotoninergici, cât și a neuronilor glutaminergici au fost clar modulate prin selecție, în concordanță cu rolurile acestor neuroni în învățare și memorie. Atât frecvența alelelor, cât și modificările expresiei genelor implică, de asemenea, gene importante în funcția celulelor crestei neurale, susținând un posibil rol al celulelor crestei neuronale în sindromul de domesticire.

Abstract

Eforturile de domesticire a animalelor au condus la un spectru comun de modificări comportamentale și morfologice izbitoare. Pentru a recapitula acest proces, vulpile de argint au fost crescute selectiv pentru comportamente blânde și agresive de peste 50 de generații la Institutul de Citologie și Genetică din Novosibirsk, Rusia. Pentru a înțelege baza genetică și mecanismele moleculare care stau la baza modificărilor fenotipice, am profilat nivelurile de expresie genică și codificând frecvențele alelei SNP în două specimene de țesut cerebral din 12 vulpi agresive și 12 vulpi îmblânzite. Analiza expresiei a relevat 146 de gene din cortexul prefrontal și 33 de gene din creierul bazal care au fost exprimate diferențial, cu o rată de descoperire falsă de 5% (FDR). Acești candidați includ gene în căile cheie cunoscute a fi critice pentru procesarea neurologică, inclusiv căile receptorilor de serotonină și glutamat. În plus, 295 din cei 31.000 de SNP exonici prezintă diferențe semnificative de frecvență a alelelor între populațiile îmblânzite și agresive (1% FDR), inclusiv gene cu rol în determinarea soartei celulelor crestelor neuronale.

Diferențele în comportamentul animalelor domesticite față de strămoșii lor sălbatici oferă unele dintre cele mai bune exemple de influență a genelor asupra comportamentului (1). Animalele domestice au fost selectate pentru a fi ușor de manevrat și, în general, prezintă o agresivitate redusă și o toleranță socială crescută atât pentru oameni, cât și pentru membrii propriei specii (2). Chiar și după ce genomurile majorității speciilor domesticite și speciile lor ancestrale sălbatice au fost secvențiate, identificarea genelor responsabile de aceste diferențe de comportament s-a dovedit a fi dificilă (3 ⇓ ⇓ –6). Selectarea diferitelor trăsături la fiecare dintre animalele domesticite și vechimea perioadei de timp fac dificilă identificarea modificărilor genetice care sunt cauzale responsabile de schimbările de comportament (3, 7, 8).

Spre deosebire de speciile domesticite în trecutul îndepărtat, vulpea argintie (o variantă de culoare de blană a vulpii roșii, Vulpes vulpes) a fost domesticită în condiții de fermă controlată la Institutul de Citologie și Genetică (ICG) al Academiei de Științe din Rusia (9 ⇓ ). –11). Vulpea roșie și câinele domestic (Canis familiaris) împărtășesc un strămoș comun la doar 10 Mya (12), făcând experimentul vulpii un model pentru domesticirea câinilor. Pentru a testa dacă selecția pentru comportament a fost forța primară în procesul de domesticire canină, începând din 1959, Dmitry Belyaev și Lyudmila Trut au selectat vulpile convenționale crescute de fermă împotriva fricii și agresivității la oameni, urmată de selecția pentru comportamentul de căutare a contactului, care a dus la dezvoltarea unei tulpini îmblânzite de vulpi (Fig. 1A) (9 ⇓ –11). Răspunsul la selecție a fost extrem de rapid: primul animal îmblânzit clasificat ca „elită de domesticire” a apărut în generația 4, 1,8% din astfel de vulpi au fost observate la generația 6 (4/213), iar până la generația 45 aproape toate vulpile aparțineau acelui categoria (11). Vulpile din populația îmblânzită se raportează la oameni într-un mod pozitiv similar cu cel al câinilor prietenoși (13). Sunt dornici să stabilească contactul uman până la 1 lună după naștere și să rămână prietenoși pe toată durata vieții lor (11).

Pentru a identifica baza genetică a diferențelor comportamentale dintre tulpinile de vulpe îmblânzite și agresive, am dezvoltat harta de legătură meiotică a vulpii, genealogii încrucișate experimental și am cartografiat nouă loci semnificative și sugestive ale trăsăturilor cantitative (QTL) pentru trăsăturile comportamentale (17 ⇓ ⇓ - 20). Deși cartografierea QTL este o strategie promițătoare pentru identificarea regiunilor genomice implicate în trăsături complexe, această abordare singură nu permite de obicei identificarea genelor cauzatoare și a mutațiilor. În studiul de față, am analizat transcriptomii creierului vulpii a 12 bărbați agresivi și 12 bărbați naivi sexual de 1,5 ani. Am evaluat expresia genelor în două regiuni ale creierului, cortexul prefrontal și creierul bazal.

Cortexul prefrontal este locul memoriei și al învățării. Coordonează o gamă largă de procese neuronale și joacă un rol central în integrarea diverselor informații necesare pentru comportamente complexe (21). Creierul bazal modulează activitatea corticală și joacă un rol important în excitare, atenție și luarea deciziilor (22). Analiza ARN-seq a acestor două regiuni cerebrale a identificat diferențe semnificative în expresia genelor între cele două tulpini de vulpe și a identificat mai multe rețele genetice care au fost modificate în cursul selecției artificiale pentru comportamentele domesticite/agresive.

Rezultate si discutii

Profiluri de expresie genică în creierul indivizilor blândi și agresivi.

Modificări ale expresiei în căile de semnalizare a receptorilor serotoninei și glutamatului.

Studiile anterioare privind agresiunea patologică și anxietatea la oameni și la alte animale sugerează cu tărie că genele implicate în mai multe căi ale receptorilor neurologici pot avea niveluri de expresie modificate la vulpile îmblânzite. Serotonina (5-HT) este un neurotransmițător cunoscut pentru a juca un rol în sentimentele de mulțumire/fericire la om, iar deficiența a fost legată de multe tulburări de dispoziție, inclusiv anxietate și depresie (28). Nivelurile de expresie modificate ale receptorilor serotoninergici au fost documentate la pacienții cu schizofrenie și tulburare bipolară (29). Nivelurile serotoninei și ale metabolitului serotoninei (5-HIAA) s-au dovedit a fi semnificativ crescute la vulpile îmblânzite comparativ cu vulpile agresive (7), similar cu alte mamifere și nevertebrate (19, 20). În acest studiu, am examinat genele din căile receptorilor de serotonină pe baza bazei de date KEGG (30, 31) și am găsit gene exprimate semnificativ diferențiat, inclusiv receptorii de serotonină 5A, 3A și 7 și o pereche de gene de semnalizare în aval: DUSP1 în AMPc/Calea PKA și AKT1 în calea PI3K/AKT (Fig. 2A și SI Anexa, Fig. S8 și S9). Aproape toate modificările sunt în direcția creșterii semnalizării serotoninei la animalele îmblânzite.

Gene care sunt exprimate diferențial între populațiile de vulpi îmblânzite și agresive în căile receptorilor de serotonină și glutamat. Diagramele unei sinapse serotoninergice (A) și a unei sinapse glutamatergice (B) arată terminalele presinaptice și postsinaptice (adaptate din baza de date a căilor KEGG). Nivelurile de expresie ARN-seq din ambele țesuturi sunt reprezentate grafic în bare individuale pentru gene exprimate semnificativ diferențial (qd -partat 2D) și gene de semnalizare în aval ITPR3 și ADCY7 (căi în casetele roșii din partea dreaptă mijlocie și partea dreaptă jos a figurii, respectiv) sunt exprimate diferențial între vulpile îmblânzite și agresive, cu reglare ascendentă la animalele îmblânzite.

Pe lângă rolul critic al serotoninei, dopamina și glutamatul au fost, de asemenea, legate de agresivitate (32). În setul nostru de date, nu au fost identificate gene din calea receptorului dopaminei ca fiind exprimate semnificativ diferențial. Pentru calea receptorului glutamat, subunitatea 2D a receptorului NMDA și genele de semnalizare în aval ITPR3 și ADCY7 au fost semnificativ reglate în sus la animalele îmblânzite (Fig. 2B și SI Anexa, Fig. S8 și S9). Receptorii NMDA sunt o subclasă de receptori de glutamat importanți pentru plasticitatea sinaptică, învățare și memorie. Această cale joacă, de asemenea, un rol cheie în condiționarea fricii (33). Reglarea în sus a semnalizării NMDA ar putea fi în concordanță cu o reacție crescută la deținători de către vulpile îmblânzite. Aceste rezultate sugerează că răspunsul expresiei genice la selecția pentru tulburare la vulpile de argint are impact asupra căilor receptorilor neurotransmițătorilor și aruncă lumină pe baza biologică a comportamentelor afiliate și agresive prin raportarea la corelații neurologice și farmacologice cu acele comportamente.

Modificări ale frecvenței alelelor în timpul procesului de selecție pentru comportamentele blânde și agresive.

În plus față de răspunsul de expresie, alte gene pot manifesta modificări în secvențele de codificare care ar putea afecta funcția proteinelor. Astfel de gene prezintă adesea modificări ale frecvenței alelelor în SNP-urile lor de codificare. În datele ARN-seq, am identificat 31.025 SNP exonici de înaltă calitate (materiale și metode) și am testat diferențele de frecvență ale alelelor la aceste poziții. Efectul fondator, consangvinizarea și deriva genetică aleatorie pot duce la modificări ale frecvenței alelelor, iar acești factori trebuie controlați pentru a permite o evaluare exactă a rolului selecției. Populațiile de vulpi îmblânzite și agresive au fost selectate exclusiv pentru trăsături comportamentale specifice, iar datele genealogice complete pentru populațiile îmblânzite (6.670 indivizi) și agresive (1.863 indivizi) au fost menținute pe parcursul întregului program de reproducere (apendicele SI, figurile S2 și S3) 11 ).

Folosind aceste informații, am simulat direct efectul precis al derivei genetice și al consangvinizării asupra schimbărilor de frecvență ale alelelor prin „cădere de gene”, o metodă care folosește structurile genealogice cunoscute pentru un eșantion constatat de genotipuri extrase din populație (în acest caz, cele 24 Indivizi ARN-seq) (Fig. 3A și SI Anexa, Fig. S10). La o valoare P ajustată de 0,01, 295 SNP în 176 gene au avut frecvențe alele semnificativ diferite între populațiile domesticite și agresive (Fig. 3B și SI Anexa, Tabelul S8), cu o diferență medie a frecvenței alelei de 0,79. SNP-uri sinonime au fost ușor îmbogățite în semnificația modificărilor frecvenței alelelor, comparativ cu toate SNP-urile exonice (25,9% față de 23,9%), dar diferența nu a atins semnificația statistică (apendicele SI, fig. S11 C și D). O treime din cele 176 de gene semnificative s-au suprapus cu vârfuri QTL semnificative ale comportamentului vulpii (Anexa SI, Tabelul S9).

Contribuțiile autorului: X.W., L.N.T., A.V. Kukekova și A.G.C. cercetare proiectată; X.W., L.N.T., Y.H., A.V.V., R.G.G., A.V. Kharlamova, J.L.J., A.V. Kukekova și A.G.C. cercetări efectuate; X.W. a contribuit cu noi reactivi/instrumente analitice; X.W., L.P., J.L.J., A.V. Kukekova și A.G.C. date analizate; și X.W., G.M.A., A.V. Kukekova și A.G.C. a scris ziarul.

Recenzori: H.E.H., Universitatea Harvard și HHMI; și R.K.W., Universitatea din California, Los Angeles.

Autorii nu declară niciun conflict de interese.