Recenzje i streszczenia
artykuł ukazał się w Tanganika MAGAZYN 13
Taborsky B., Tschirren L., Meunier C., Aubin-Horth N., 2013, Stable reprogramming of brain transcription profiles by the early social environment in a cooperatively breeding fish, Proc. R. Soc.,280: 1-7
Stabilne reprogramowanie profili transkrypcyjnych mózgu przez środowisko socjalne u pielęgnic (streszczenie)
Tekst: Bartosz Mierzeński (neurobiolog, UJ)
Niniejsze streszczenie przedstawia niezwykle ważne opracowanie naukowe, które zostało opublikowane w 2013 roku. Pokazuje, że opieka rodzicielska u pielęgnic jest niezmiernie ważna i ma odzwierciedlenie w reakcjach mózgu.
Zachowania socjalne dorosłych osobników mogą być modyfikowane przez doświadczenia pochodzące z wczesnego okresu życia. U gryzoni za rozwój zachowań socjalnych odpowiada matczyny dotyk, a dzieje się tak poprzez modyfikację działania osi HPA (system biologiczny biorący udział w powstawaniu i przebiegu reakcji stresowej, składający się z układu współczulnego i osi podwzgórze-przysadka-nadnercza), której odpowiednikiem u kręgowców zmiennocieplnych jest oś HPI (system biologiczny biorący udział w powstawaniu i przebiegu reakcji stresowej, składający się z układu współczulnego i osi podwzgórzowo-przysadkowo-międzynerkowej).
Warunki socjalne, które występują tuż po urodzeniu mogą wpływać na takie zachowania jak: pozycja w hierarchii i dominacja, zachowania rozrodcze czy wybór partnera. Stwierdzono, że tanganickie pielęgnice z gatunkuNeolamprologus pulcher wychowywane wraz z rodzeństwem, ale pod nieobecność dominujących i dojrzałych osobników miały mniej stabilnie zachowania socjalne związane z okresem młodzieńczym. Zachwiane zachowania socjalne utrzymywały się do osiągnięcia przez ryby dorosłości.
U licznych ssaków i ptaków zmienność opieki rodzicielskiej we wczesnym życiu i następujące później długoterminowe zmiany zachowań są związane z neurobiologicznymi modyfikacjami osi HPA. U gryzoni kluczowym elementem wpływającym na ten proces jest reprogramowanie epigenetyczne*. U szczurów intensywny matczyny dotyk powoduje wyższy poziom ekspresji genów kodujących receptory glikokortykoidowe zaangażowane w odpowiedź na stres. Zmiany te spowodowane są zmianą stopnia metylacji DNA. Odpowiedź na pytanie, czy takie mechanizmy mogą odpowiadać za długoterminowe zmiany u kręgowców zmiennocieplnych, jak np. ryby, pozostawała niejasna. Aż do chwili, gdy światło dzienne ujrzały badania przeprowadzone przez zespół Taborsky i współpracownicy.
Autorzy przeanalizowali, jak zmienne czynniki środowiskowe we wczesnym okresie życia zmieniają ekspresję genów zaangażowanych w działanie osi HPI u wykazujących zachowania socjalne pielęgnic Neolamprologus pulcher. Porównano ekspresję badanych genów w dwóch odmiennych typach warunków socjalnych uNeolamprologus pulcher: 1 – przez pierwsze dwa miesiące życia narybek był hodowany z rodzicami i krewnymi lub 2 – tylko w obecności krewnych w ich wieku.
Porównano działanie czterech genów kodujących neuropeptydy i receptory zaangażowane w wiązanie kortykoidów, będące częścią odpowiedzi kręgowców na stres (CRF,GR1, GR2, MR).
U gryzoni sygnały stresowe zmieniają ekspresję genów kodujących, np. u myszy i szczurów, poprzez zwiększenie wydzielania CRH i obniżenie ekspresji GR. Bazując na tym przykładzie, u Neolamprologus pulcher, przy braku dorosłych osobników pełniących rolę strażników, co podnosi poziom stresu u młodych, powinniśmy oczekiwać zmiany ekspresji genów pozwalających na wzmożoną gotowość do odpowiedzi na stres. Zatem u osobników wychowywanych bez dorosłych CRF powinno być regulowane w górę, podczas gdy GR1 regulowane w dół.
Neolamprologus pulcher występuje w naturze w grupach około 40 osobników, wśród których znajduje się rozmnażająca się para, potomstwo z wcześniejszego miotu oraz dojrzali i niedojrzali „pomocnicy”, broniący małych terytoriów dookoła miejsc, w których się rozmnażają.
Ryby do badań pochodziły z sześciu różnych miotów, larwy o wieku 10 dni (czyli w momencie, gdy zaczynają już pływać) zostały podzielone na równe grupy. Przez następne dwa miesiące część z nich była przetrzymywana z rodzicami lub z rodzicami i dwoma „pomocnikami” – tę populację nazwano F+, podczas gdy pozostałe pozostawiono tylko w towarzystwie rówieśników – populacja F-. Po dwóch miesiącach rodzice i „pomocnicy” zostali usunięci, a młode były przetrzymywane w standardowych warunkach. Po około 1,5 roku po rozpoczęciu eksperymentu mózgi ryb zostały wypreparowane z 36 osobników (16 wychowanych przez rodziców i 20 bez ich udziału). Ryby różniły się płcią i statusem społecznym, osobniki z tego samego zbiornika były w tym samym wieku, ale różniły się wielkością, gdyż dominanci rosną szybciej. Zbadano profile ekspresji czterech genów zaangażowanych w działanie osi HPI
Poziom transkryptów mRNA wszystkich czterech genów został pozytywnie skorelowany dla całej próby 36 ryb. Ryby F+ miały znacząco niższą ekspresję CRF i GR1 w porównaniu z rybami F-. Podczas gdy poziom ekspresji GR2 i MR nie podlegał wpływowi. Stosunek MR/GR1 jest znacznie wyższy u ryb F+ niż u ryb -F.
DYSKUSJA
Autorzy dowiedli, że doświadczenia z wczesnego dzieciństwa znacząco zmieniają ekspresję dwóch kluczowych genów odpowiedzi stresowej u ryb kostnoszkieletowych. Wyniki sugerują, że różna ekspresja tych genów wynika z nieodwracalnego reprogramowania mózgu mającego miejsce podczas pierwszych dwóch miesięcy życia. Badacze zasugerowali nieodwracalne reprogramowanie zachodzące z trzech powodów:
1) Różnice w ekspresji genów powstałe we wczesnym życiu były nadal wykrywane po 1,5 roku. Wcześniejsze doświadczenia wykazały, że zachowania socjalne są trwale zmieniane przez doświadczenia we wczesnym dzieciństwie.
2) Różnice w ekspresji genów indukowane we wczesnym życiu były niezwykle silne, jako że wykrywano je u dorosłych osobników pomimo różnic płci i różnych statusów społecznych.
Wczesne doświadczenia regulują ekspresję CRF ustawiając poziom indywidualnej reaktywności na stres. Gryzonie wystawione na niski poziom stresu lub dużą opiekę matczyną wykazują niską ekspresję CRF i niską reaktywność na stres. Identyczna zależność miała miejsce u ryb z grupy F+. Oznacza to, że środowisko, a w tym wypadku obecność lub brak rodziców w okresie wczesnego rozwoju na stałe programuje mózgi ryb. Konkludując, pierwsze dni życia ryby są niezwykle istotne dla właściwego zaprogramowania jej mózgu, a środowisko ma znaczący wpływ na przebieg tego procesu.
Słowniczek
Ekspresja genów – to synteza RNA i synteza białka. Sekwencja zasad w DNA przepisywana jest na sekwencję aminokwasów w białkach.
Reprogramowanie epigenetyczne – proces modyfikacji aktywności genów w jądrze komórkowym, pozwalający na „cofnięcie” komórki do wcześniejszego etapu rozwoju.Proces ten zachodzi m.in. podczas gametogenezy, klonowania metodą transferu jądrowego oraz odróżnicowania komórek somatycznych do komórek macierzystych.