En ny undersøgelse viser, hvordan differentiering af et enkelt gen ændrer adfærd hos en vild sangfugl og afgør, om den hvidstrubede spurv udviser mere eller mindre aggression. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) offentliggjorde forskningen, ledet af neurovidenskabsmænd ved Emory University.
Forskerne udpegede en østrogenreceptor fra et kompleks af mere end 1.000 gener kendt som et "supergen" eller genetisk materiale, der nedarves sammen som en blok. Værket giver et sjældent blik på, hvordan genomisk divergens kan føre til adfærdsmæssig divergens hos et hvirveldyr.
"Evolutionen har pillet ved DNA-sekvensen af et gen fra denne sangfugl, og vi viste, at disse små ændringer påvirker både ekspressionen af genet og fuglens adfærd," siger Emory-studerende Jennifer Merritt, førsteforfatter til papiret.
Merritt er ph.d.-kandidat i laboratoriet hos Donna Maney, seniorforfatter af papiret og en Emory-professor i psykologi.
"Hvidstrubede spurve er almindelige baggårdsfugle, der findes gennem det meste af Nordamerika," siger Merritt. "Det bemærkelsesværdige ved dem er, at de forekommer i to forskellige morfer, der ikke kun har forskellig fjerdragt, men også forskellige strategier til at maksimere reproduktionseffekten. Begge typer af forskelle er forårsaget af genetisk differentiering af kun én region af et enkelt kromosom, og vi ved, præcis hvor det er."
På et tidspunkt under udviklingen af en art kan et kromosom knække og vende. Denne proces, kaldet en inversion, isolerer de gener, der er fanget inde, og producerer et supergen. I nogle tilfælde har supergener ført til distinkte morfer inden for en enkelt art - individer med supergenet og dem uden det.
I tilfælde af hvidstrubede spurve har den hvidstribede morf lyse gule, sorte og hvide striber på kronen, mens den solbrune-stribede morf har mere dæmpede, solbrune og grålige striber. De hvidstribede fugle, som alle besidder mindst én kopi af det omarrangerede kromosom, har en tendens til at være mere aggressive og mindre parentale end de tan-stribede fugle, som ikke har det omarrangerede kromosom.
"Forskere har i 100 år antaget, at inversioner er vigtige for udviklingen af nogle af de komplekse adfærd, vi ser i naturen," siger Maney. "Men inversioner er udfordrende at forstå, fordi når de bliver til supergener, nedarves alle generne sammen. Vi vidste allerede meget om hvidstrubens naturhistorie, såvel som de biologiske mekanismer, der ligger til grund for dens aggression. Ved at bruge den viden var vi i stand til endelig at vise den evolutionære rolle af et supergen på molekylært niveau."
Det aktuelle papir bygger på tidligere arbejde fra Maney-laboratoriet, en leder i at forbinde gensekvens med adfærd hos fritlevende dyr. I 2014 identificerede laboratoriet en hormonreceptor - østrogenreceptor alfa (ER-alpha) - der syntes forbundet med forskellene i spurvenes aggression og forældreadfærd i naturen. De hvidstribede fugle udtrykker denne receptor i meget højere niveauer end de solbrune-stribede fugle, og jo mere udtryk, jo mere aggressiv er fuglen.
"Til dette papir ønskede vi at følge den genetiske variation af ER-alfa helt op til det sted, hvor den kommer til udtryk i hjernen, og derefter til adfærd, for at se, om vi kunne spore adfærdsvariationen til variation i dette ene gen," siger Merritt.
Fuglene synger for at etablere et territorium. Den hastighed, hvormed de synger, giver et mål for deres aggressionsniveau sammen med den frekvens, hvormed de angriber eller "angriber" dyr, der trænger ind på det, de betragter som deres territorium.
I feltstudier af hvidstrubet spurve i deres naturlige habitat viste forskerne, at jo mere en fugl udtrykker den supergene version af østrogenreceptoren, jo kraftigere forsvarer den sit territorium.
Forskerne bevægede sig derefter ud over korrelationsarbejdet ved at tage en eksperimentel tilgang. Hvidstrubede spurve i laboratoriet fik et stof til at blokere ekspression af ER-alfa-genet, og deres aggressionsniveauer blev målt. Resultaterne viste, at når ekspressionen af det ene gen blev blokeret, faldt aggressionen fra de hvidstribede fugle, så de opførte sig som de brunstribede.
"Vi mener, at dette er den første demonstration af, hvordan et enkelt gen i et supergen driver ændringer i en social adfærd hos et vildt hvirveldyr," siger Merritt. Hun giver en analogi til den involverede udfordring: "Forestil dig hvert af generne i et supergen som bifloder, der konvergerer til en flod, adfærden. Og derefter tage en prøve af vand fra floden og bestemme, hvilken biflod prøven kom fra."
Maney-laboratoriet fortsætter med at undersøge en række andre neuroendokrine gener fanget af kromosom-omlejringen i den hvidstrubede spurv, som menes at være vigtige spillere i reguleringen af social adfærd.
Medforfattere til PNAS-avisen inkluderer Eric Ortlund, en biokemiker og ekspert i ER-alfa-genet ved Emory School of Medicine; Kathleen Grogan og Wendy Zinzow-Kramer, tidligere post-doc-stipendiater i Maney-laboratoriet; og Dan Sun og Soojin Yi, fra Georgia Tech. Arbejdet blev finansieret af tilskud fra National Institutes of He alth og National Science Foundation.
