Die selektive Expression von Genen durch Epigenetik kann den sozialen Status afrikanischer Cichlidfische regulieren

Are GMOs Good or Bad? Genetic Engineering & Our Food (Kann 2019).

Anonim

Für eine kleine afrikanische Fischart ist ein farbenprächtiges, dominantes Männchen besser im Leben und gewinnt Zugang zu Nahrung und Weibchen. Neue Forschungen von Stanford-Biologen legen nahe, dass dieses glückliche Ergebnis auf einer genetischen Ebene reguliert wird, indem Gene ein- und ausgeschaltet werden.

Die Menschen denken im Allgemeinen, dass unser genetischer Code und damit die Expressionsmuster unserer Gene lebenslang festgelegt sind. Tatsächlich trifft dies in einigen Fällen zu, wie beispielsweise bei der Augenfarbe, einer Eigenschaft, die durch die Genexpression früh in der Entwicklung bestimmt wird. Wissenschaftler haben jedoch kürzlich herausgefunden, dass die Genregulation auch durch epigenetische Prozesse fortlaufend stattfinden kann und das Potenzial hat, das Verhalten während des gesamten Lebens zu verändern.

Durch die Epigenetik kann die Genexpression wie ein Lichtschalter über mehrere Mechanismen an- und ausgeschaltet werden. Durch einen dieser Mechanismen, die als DNA-Methylierung bezeichnet wird, werden den Genen Methylmoleküle hinzugefügt, die verhindern, dass sie exprimiert werden.

In einer Studie, die in PLoS ONE veröffentlicht wurde, berichten Forscher aus Stanford, dass der soziale Status von Cichlidfischen durch DNA-Methylierung reguliert werden kann.

"Statusunterschiede gibt es in allen sozialen Organismen", sagte Russell Fernald, ein Biologieprofessor an der Stanford University und leitender Autor der Studie. "Unsere Arbeit zeigt, wie der Status der sozialen Dominanz möglicherweise durch Methylierung reguliert wird, was wichtig ist, weil Individuen mit einem höheren Rang im Allgemeinen eine bessere Gesundheit und Lebensqualität genießen."

Eine Demonstration sozialer Dominanz

Im Jahr 2004 zeigte eine Studie von Forschern der McGill University, dass das ernährende Verhalten von Mutterratten ihre Nachkommen beeinflusste. Welpen, die mehr genährt wurden, wuchsen als Erwachsene weniger gestresst, während Welpen, die weniger Pflege bekamen, mit ängstlichen Neigungen aufwuchsen. Dieser Unterschied wurde durch die Methylierung eines Gens für einen Stressrezeptor verursacht, erklärte Fernald, der Benjamin Scott Crocker-Professor für Humanbiologie. Nachfolgende Forschung hat andere Beispiele aufgezeigt, durch die Epigenetik unsere Genexpressionsmuster durch Erfahrungen während unseres Lebens verändern kann.

Fernald studiert Astatotilapia burtoni, eine der hunderten Cichlidfische, die den Tanganjikasee in Ostafrika bewohnen, wegen der einzigartigen Art und Weise, wie sie sich im Laufe der Zeit entwickelt haben. Für den Mann A. burtoni ist Dominanz alles. Sie kämpfen häufig um Territorien, wobei der Sieger Zugang zu den zwei wichtigsten Ressourcen erhält - Nahrung und Weibchen.

Mit sportlichen, regenbogenfarbenen Schuppen verteidigen hochrangige Männchen aggressiv ihre Nahrungsgründe und locken Weibchen in ihr Territorium, um auf dem Seegrund faulende Nahrung zu sich zu nehmen. Im Gegensatz dazu machen die niedrig eingestuften Männchen, die stumpfgrau sind, 80 Prozent der Population aus, können sich aber nicht vermehren und müssen mit den Weibchen schwimmen, um Zugang zu Nahrung zu erhalten.

Aber selbst die dominanten Männchen müssen die Weibchen zur Paarung täuschen. Das ist schwierig, da A. burtoni Mundbrüter sind. Nach dem Legen der Eier in den Sand schaufelt das Weibchen sie in den Mund und brütet sie bis zum Schlüpfen aus, was eine logistische Herausforderung für die Befruchtung darstellt. Die geniale evolutionäre Lösung dieses Dilemmas ist eine Version des Oralsex.

Das dominante Männchen blitzt seine Afterflosse, die mit Flecken, die wie riesige Eier aussehen, verziert und mit Sperma durchsetzt ist. Wenn die Frau diese Stellen sieht, geht sie der Afterflosse des Männchens nach, als ob sie versuchen würde, ein paar Eier zu sammeln, die sie fallen ließ, dabei Sperma einsammelt und die Eier in ihrem Mund befruchtet.

"Bei dieser Spezies können sich nur die Macho-Männchen paaren und nichtdominante Männchen können sich nicht fortpflanzen, also sind die Einsätze enorm hoch", sagte Fernald.

Veränderung des sozialen Status

Aber einige soziale Mobilität ist möglich. Da die auffällig dominanten Männchen anfälliger für Raubtiere sind, wenn ein Boss-Fisch verschwindet, kommt es zu einem großen Kampf, da nicht-dominante Männchen darum kämpfen, das unbesetzte Gebiet zu übernehmen. Der Gewinner steigt dann in den dominanten Status auf, was zu einer erstaunlichen Reihe von physiologischen Veränderungen führt, einschließlich der Neuverdrahtung von Teilen des Gehirns, wie zuvor von Fernalds Gruppe berichtet wurde.

Angesichts der Bedeutung des Status fragte sich Fernald, ob diese dramatischen Veränderungen durch Genexpression ausgelöst wurden.

"Wenn wir die Genexpression durch Methylierungsänderungen verändern würden, könnten wir die Veränderung der sozialen Dominanz beeinflussen?" er hat gefragt.

Mit einem Doktoranden, Kapa Lenkov, hat Fernald das direkt in Cichliden getestet, die in seinem Labor in Stanford aufgezogen wurden. Mehrere Paare nicht dominanter Männchen, die in der Größe übereinstimmten, wurden jeweils in ein Aquarium gesetzt, das nur ein Territorium unterstützen konnte. In jedem Paar wurde einem Männchen ein Methylierungsmittel injiziert, während das andere einen Methylierungsunterdrücker erhielt, und die beiden Fische stritten um die Dominanz.

"Wir konnten die Verhaltensänderung in wenigen Minuten sehen, als ein Tier begann, das andere zu dominieren", sagte Fernald. "Videos dieser Konfrontationen zeigten, dass die Fische, denen das Methylierungsmittel injiziert wurde, viel eher die Gewinner waren, während diejenigen, die den Methylierungssuppressor erhielten, typischerweise den Kampf um die Dominanz verloren.

"Es war bemerkenswert, dass wir feststellen konnten, welche Fische dominant wurden, indem wir die Anzahl der in diesem Zusammenhang exprimierten Gene änderten", sagte er.

Fernalds Arbeit legt nahe, dass epigenetische Prozesse Veränderungen des Dominanzstatus bei hierarchisch organisierten Arten verursachen, anstatt sie einfach zu reflektieren, sagte Tom Boyce, Professor an der Universität von Kalifornien, San Francisco School of Medicine, der nicht an der Studie beteiligt war.

"Dies hat Auswirkungen auf Menschen und nichtmenschliche Primaten, da hierarchisches Verhalten und soziale Dominanzbeziehungen früh im Leben auftreten und während der gesamten Lebensspanne wichtig bleiben", sagte Boyce.

"DNA-Methylierung ist möglicherweise ein Weg, durch den soziale Dominanz in vielen sozialen Organismen, einschließlich Menschen, reguliert wird", sagte Fernald. "Der nächste Schritt wird sein, zu identifizieren, welche Gene auf Methylierung reagieren, wenn sie diese Dominanzänderung bewirken."

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