Исследователи выделили рецептор эстрогена из комплекса из более чем 1000 генов, известных как «суперген», или генетический материал, унаследованный вместе как блок. Работа дает редкий взгляд на то, как геномная дивергенция может привести к поведенческой дивергенции у позвоночных.
«Эволюция изменила последовательность ДНК гена этой певчей птицы, и мы продемонстрировали, что эти небольшие изменения влияют как на экспрессию гена, так и на поведение птицы», – говорит аспирантка Эмори Дженнифер Мерритт, первый автор статьи.
Мерритт – докторант лаборатории Донны Мани, старшего автора статьи и профессора психологии Эмори.
«Белогорлые воробьи – обычные птицы на заднем дворе, которые встречаются на большей части территории Северной Америки», – говорит Мерритт. "Что примечательно в них, так это то, что они встречаются в двух разных морфах, которые имеют не только разное оперение, но и разные стратегии для максимизации репродуктивной продукции. Оба типа различий вызваны генетической дифференциацией только одной области одной хромосомы, и мы точно знаем, где она находится."
В какой-то момент в процессе эволюции вида хромосома может сломаться и перевернуться. Этот процесс, называемый инверсией, изолирует гены, заключенные внутри, производя суперген. В некоторых случаях супергены привели к различным морфам внутри одного вида – индивидуумов с супергеном и без него.
В случае с белогорлыми воробьями, белополосая морфа имеет ярко-желтые, черные и белые полосы на макушке, в то время как желто-полосатая морфа имеет более приглушенные, коричневые и сероватые полосы.
Птицы с белыми полосами, которые все обладают по крайней мере одной копией перестроенной хромосомы, как правило, более агрессивны и менее родительски, чем птицы с коричневыми полосами, у которых нет перестроенной хромосомы.
«В течение 100 лет ученые выдвигали гипотезу, что инверсии важны для эволюции некоторых сложных форм поведения, которые мы наблюдаем в природе», – говорит Мани. "Но инверсии сложно понять, потому что, когда они превращаются в супергены, все гены наследуются вместе.
Мы уже много знали о естественной истории белогорлого воробья, а также о биологических механизмах, лежащих в основе его агрессии. Используя эти знания, мы наконец смогли показать эволюционную роль супергена на молекулярном уровне."
Настоящая статья основана на предыдущей работе лаборатории Мани, лидера в области связи последовательности генов с поведением свободноживущих животных. В 2014 году лаборатория определила рецептор гормона – рецептор эстрогена альфа (ER-альфа), который оказался связанным с различиями в агрессии воробьев и родительском поведении в дикой природе.
Белополосные птицы экспрессируют этот рецептор на гораздо более высоком уровне, чем коричнево-полосатые птицы, и чем больше экспрессия, тем агрессивнее птица.
«В этой статье мы хотели проследить генетическую изменчивость ER-альфа вплоть до того места, где она выражается в мозге, а затем и поведение, чтобы увидеть, можем ли мы проследить поведенческую вариацию до вариации в этом единственном гене», Мерритт говорит.
Птицы поют, чтобы установить территорию.
Скорость, с которой они поют, является мерой их уровня агрессии, наряду с частотой, с которой они атакуют или "атакуют" животных, посягающих на то, что они считают своей территорией.
В ходе полевых исследований белогорлых воробьев в их естественной среде обитания исследователи показали, что чем больше птица экспрессирует супергенную версию рецептора эстрогена, тем энергичнее она защищает свою территорию.
Затем исследователи вышли за рамки корреляционной работы, применив экспериментальный подход. Белогорлым воробьям в лаборатории давали вещество, блокирующее экспрессию гена ER-альфа, и измеряли уровень их агрессии.
Результаты показали, что когда экспрессия одного этого гена была заблокирована, агрессия белых полосатых птиц снижалась, поэтому они вели себя как коричнево-полосатые.
«Мы считаем, что это первая демонстрация того, как единственный ген в супергене вызывает изменения в социальном поведении диких позвоночных», – говорит Мерритт. Она приводит аналогию с возникшей проблемой: «Представьте, что каждый из генов супергена – это притоки, сливающиеся в реку, поведение.
Затем взяли пробу воды из реки и выяснили, из какого притока она взята."
Лаборатория Мани продолжает исследовать набор других нейроэндокринных генов, захваченных хромосомной перестройкой у белогорлого воробья, которые, как считается, играют важную роль в регуляции социального поведения.
Соавторами статьи PNAS являются Эрик Ортлунд, биохимик и эксперт по гену ER-альфа из Медицинской школы Эмори; Кэтлин Гроган и Венди Зинзов-Крамер, бывшие научные сотрудники лаборатории Мани; и Дэн Сун и Суджин Йи из Технологического института Джорджии. Работа финансировалась грантами Национальных институтов здравоохранения и Национального научного фонда.