Геномні відповіді на вибір для ручної/агресивної поведінки у срібної лисиці (Vulpes vulpes)

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Для листування: xzw0070 @ auburn.eduavk @ illinois.eduac347 @ cornell.edu

Автор: Ендрю Г. Кларк, 6 серпня 2018 р. (Надіслано на огляд 17 січня 2018 р .; переглянуто Хопі Е. Хоккстра та Робертом К. Уейном)

Значимість

Поведінка одомашнених тварин різко відрізняється від поведінки диких родичів, і експеримент російської ручної лисиці чітко продемонстрував, що ці зміни можуть відбутися лише за кілька поколінь селекції. Аналіз експресії генів у мозку ручних та агресивних лисиць під час цього експерименту дозволяє нам запитати, які шляхи мозку були змінені цим останнім сильним відбором. Шляхи, що впливають на функцію як серотонінергічних, так і глутамінергічних нейронів, були чітко модульовані шляхом відбору відповідно до ролі цих нейронів у навчанні та пам'яті. Як зміни частоти алелів, так і експресія генів також включають гени, важливі для функції клітин нейронного гребеня, підтримуючи можливу роль клітин нервового гребеня в синдромі одомашнення.

Анотація

Зусилля приручення тварин призвели до спільного спектру вражаючих поведінкових та морфологічних змін. Щоб повторити цей процес, срібних лисиць вибирали для ручної та агресивної поведінки вже більше 50 поколінь в Інституті цитології та генетики в Новосибірську, Росія. Щоб зрозуміти генетичну основу та молекулярні механізми, що лежать в основі фенотипових змін, ми сформулювали рівні експресії генів та кодували частоти алелів SNP у двох зразках тканин мозку від 12 агресивних лисиць та 12 ручних лисиць. Експресійний аналіз виявив 146 генів в префронтальній корі та 33 гени в базальному передньому мозку, які були диференційовано виражені, з 5% коефіцієнтом помилкового виявлення (FDR). Ці кандидати включають гени в ключові шляхи, які, як відомо, мають вирішальне значення для неврологічної обробки, включаючи шляхи рецепторів серотоніну та глутамату. Крім того, 295 з 31 000 екзонічних SNP демонструють значні відмінності частоти алелів між прирученими та агресивними популяціями (1% FDR), включаючи гени, що відіграють роль у визначенні долі клітин нейронного гребеня.

Відмінності у поведінці одомашнених тварин від їх диких предків є одними з найкращих прикладів впливу генів на поведінку (1). Одомашнених тварин відібрали для зручності поводження, і вони, як правило, виявляють знижену агресивність та підвищену соціальну толерантність як до людей, так і до представників власних видів (2). Навіть після того, як були генемовані геноми більшості одомашнених видів та їх диких видів предків, ідентифікація генів, відповідальних за ці поведінкові відмінності, виявилася складною (3 ⇓ ⇓ –6). Вибір різних ознак у кожного з одомашнених тварин та старовина часових рамок ускладнюють ідентифікацію, які генетичні зміни причинно обумовлені зміною поведінки (3, 7, 8).

На відміну від видів, одомашнених у далекому минулому, срібляста лисиця (різновид забарвлення рудої лисиці, Vulpes vulpes) була одомашнена в контрольованих господарських умовах в Інституті цитології та генетики (ICG) Російської академії наук (9 ⇓ –11). Руда лисиця та домашня собака (Canis familiaris) мають спільного предка лише 10 Mya (12), що робить експеримент з лисицею моделлю приручення собак. Щоб перевірити, чи відбір для поведінки був головною силою у процесі приручення собак, починаючи з 1959 року, Дмитро Бєляєв та Людмила Трут відбирали звичайних виведених у фермах лисиць проти страху та агресії до людей, після чого проводився відбір для поведінки, що шукає контактів, яка призвело до розвитку ручного штаму лисиць (рис. 1А) (9 ⇓ –11). Реакція на відбір була надзвичайно швидкою: перша приручена тварина, віднесена до категорії «еліта одомашнення», з’явилася в 4 поколінні, 1,8% таких лисиць спостерігалося в 6 поколінні (4/213), а до 45 покоління майже всі лисиці належали до цієї категорія (11). Лисиці з ручної популяції ставляться до людей позитивно, подібно до доброзичливих собак (13). Вони прагнуть встановити людський контакт через 1 місяць після народження і залишаються доброзичливими протягом усього свого життя (11).

Щоб визначити генетичну основу поведінкових відмінностей між прирученими та агресивними штамами лисиць, ми розробили карту мейотичного зв’язку лисиць, експериментально схрещені родоводи та склали дев’ять значущих та сугестивних кількісних локусів ознак (QTL) для особливостей поведінки (17 ⇓ ⇓ - 20). Хоча картографування QTL є перспективною стратегією для виявлення геномних областей, причетних до складних ознак, сам по собі цей підхід зазвичай не дозволяє ідентифікувати причинні гени та мутації. У цьому дослідженні ми проаналізували транскриптоми мозку лисиць 12 агресивних та 12 приручених 1,5-річних сексуально наївних чоловіків. Ми оцінили експресію генів у двох регіонах мозку, префронтальній корі та базальному передньому мозку.

Префронтальна кора - це місце пам’яті та навчання. Він координує широкий спектр нервових процесів і відіграє центральну роль в інтеграції різноманітної інформації, необхідної для складної поведінки (21). Базальний передній мозок модулює коркову активність і відіграє важливу роль у збудженні, увазі та прийнятті рішень (22). Аналіз РНК-послідовності цих двох областей мозку виявив суттєві відмінності в експресії генів між двома штамами лисиць та визначив кілька генних мереж, які були модифіковані під час штучного відбору для приручення/агресивної поведінки.

Результати і обговорення

Профілі генної експресії в мозку приручених та агресивних індивідів.

Зміни експресії в шляхах сигналізації рецепторів серотоніну та глутамату.

Попередні дослідження патологічної агресії та занепокоєння у людей та інших тварин настійно припускають, що гени, що беруть участь у кількох шляхах неврологічних рецепторів, можуть мати змінений рівень експресії у приручених лисиць. Серотонін (5-HT) - це нейромедіатор, який, як відомо, відіграє роль у почутті задоволення/щастя у людей, і дефіцит пов'язаний з багатьма розладами настрою, включаючи тривогу та депресію (28). Змінені рівні експресії рецепторів серотоніну були задокументовані у пацієнтів із шизофренією та біполярним розладом (29). Встановлено, що рівень серотоніну та метаболіту серотоніну (5-HIAA) значно підвищений у ручних лисиць порівняно з агресивними лисицями (7), як і у інших ссавців та безхребетних (19, 20). У цьому дослідженні ми дослідили гени в серотонінових рецепторних шляхах на основі бази даних KEGG (30, 31) і виявили суттєво диференційовано експресовані гени, включаючи серотонінові рецептори 5А, 3А та 7 та пару сигнальних генів DUSP1 у цАМФ./PKA шлях та AKT1 у PI3K/AKT шляху (Рис. 2A та Додаток SI, Рис. S8 та S9). Майже всі зміни відбуваються у бік посилення сигналізації серотоніну у приручених тварин.

Гени, які різницево виражаються між прирученими та агресивними популяціями лисиць у серотонінових та глутаматних рецепторних шляхах. Діаграми серотонінергічного синапсу (A) та глутаматергічного синапсу (B) показують пресинаптичний та постсинаптичний термінали (адаптовано з бази даних шляхів KEGG). Рівні експресії РНК-послідовності в обох тканинах наносяться на окремі графіки для значущо диференційовано експресованих генів (qd-аспартат 2D) та генів сигналізації нижче за течією ITPR3 та ADCY7 (шляхи в червоних ящиках у середній правій та нижній правій частинах малюнка відповідно) диференційовано виражаються між ручними та агресивними лисицями, з регуляцією вгору у приручених тварин.

Окрім критичної ролі серотоніну, дофамін та глутамат також пов'язані з агресією (32). У нашому наборі даних жоден ген у шляху рецепторів дофаміну не був ідентифікований як суттєво диференційовано виражений. Для шляху рецепторів глутамату 2D-субодиниця рецептора NMDA та сигнальні гени ITPR3 та ADCY7 значно регулювались у приручених тварин (рис. 2B та Додаток SI, рис. S8 та S9). Рецептори NMDA - це підклас рецепторів глутамату, важливий для синаптичної пластичності, навчання та пам’яті. Цей шлях також відіграє ключову роль у формуванні страху (33). Посилення регулювання сигналізації NMDA може відповідати підвищенню реакції прихильників лисиць на охоронців. Ці результати дозволяють припустити, що реакція експресії генів на вибір щодо приручення у срібних лисиць впливає на шляхи рецепторів нейромедіаторів і проливає світло на біологічну основу афіліативної та агресивної поведінки, пов’язуючи неврологічні та фармакологічні кореляти з цією поведінкою.

Зміна частоти алелів під час процесу відбору для ручної та агресивної поведінки.

На додаток до реакції експресії, інші гени можуть виявляти зміни в кодуючих послідовностях, які можуть впливати на функцію білка. Такі гени часто демонструють зміни частоти алелів у своїх кодуючих SNP. У даних RNA-seq ми виявили 31 025 високоякісних екзонічних SNP (матеріали та методи) та протестували різницю частот алелів у цих положеннях. Ефект засновника, інбридинг та випадковий генетичний дрейф можуть призвести до зміни частоти алелів, і ці фактори повинні контролюватися, щоб дати можливість точної оцінки ролі селекції. Популяції ручних та агресивних лисиць були відібрані виключно з урахуванням специфічних особливостей поведінки, а повні дані про племінні породження для ручної (6670 особин) та агресивної (1863 особини) популяції зберігались протягом усієї програми розведення (Додаток SI, рис. S2 та S3) ( 11).

Використовуючи цю інформацію, ми безпосередньо змоделювали точний вплив генетичного дрейфу та інбридингу на зміни частоти алелів за допомогою "відпадання гена", методу, який використовує відомі племінні структури для встановленої вибірки генотипів, отриманих з популяції (у цьому випадку, 24 РНК-наступні особини) (рис. 3А та Додаток SI, рис. S10). При скоригованому значенні Р 0,01, 295 SNP в 176 генах мали суттєво різні частоти алелів між прирученими та агресивними популяціями (рис. 3B та Додаток SI, таблиця S8), із середньою різницею частот алелів 0,79. Несинонімні SNP були дещо збагачені значущістю зміни частоти алелів у порівнянні з усіма екзонічними SNP (25,9% проти 23,9%), але різниця не досягла статистичної значущості (Додаток SI, рис. S11 C і D). Третина з 176 значущих генів збігалася зі значними піками QTL щодо поведінки лисиць (Додаток SI, таблиця S9).

Вклад автора: X.W., L.N.T., A.V. Кукекова та А.Г.К. розроблені дослідження; X.W., L.N.T., Y.H., A.V.V., R.G.G., A.V. Харламова, J.L.J., A.V. Кукекова та А.Г.К. виконані дослідження; X.W. внесли нові реагенти/аналітичні інструменти; X.W., L.P., J.L.J., A.V. Кукекова та А.Г.К. проаналізовані дані; та X.W., G.M.A., A.V. Кукекова та А.Г.К. написав роботу.

Рецензенти: H.E.H., Гарвардський університет та HHMI; та R.K.W., Каліфорнійський університет, Лос-Анджелес.

Автори не заявляють конфлікту інтересів.