Komentář: Evoluce použila stejný genetický vzorec, aby změnila zvířata na monogamní.

PNAS

Ledna 22, 2019 116 (4) 1331-1336; poprvé zveřejněno 7. ledna 2019 https://doi.org/10.1073/pnas.1813775116

Rebecca L. Youngová, Michael H. Ferkin, Nina F. Ockendon-Powell, Veronica N. Orr, Steven M. Phelps, Ákos Pogány, Corinne L. Richards-Zawacki, Kyle Summers, Tamás Székely, Brian C. Trainor, Araxi O. Urrutia, Gergely Zachar, Lauren A. O'Connell, a Hans A. Hofmann

Význam

Sociální monogamie, typicky charakterizovaná vytvořením párového svazku, zvýšenou teritoriální obranou a často biparentální péčí, se u zvířat mnohokrát vyvinula. Navzdory nezávislému evolučnímu původu monogamních systémů páření hraje několik homologních oblastí mozku a neuroendokrinních drah konzervované role v regulaci sociální příslušnosti a rodičovské péče, ale o vývoji neuromolekulárních mechanismů, které jsou základem monogamie, je známo jen málo. Zde ukazujeme, že sdílené transkriptomické profily jsou spojeny s monogamií napříč obratlovci a diskutujeme o důležitosti našeho objevu pro pochopení původu různorodosti chování. Porovnáváme neurální transkriptomy reprodukčních samců u monogamních a nemonogamních druhů párů myší, hrabošů, paridních pěvců, žab a cichlid. Naše výsledky poskytují důkaz o univerzálním transkriptomickém kódu, který je základem monogamie u obratlovců.

Abstraktní

Sociální monogamie, typicky charakterizovaná vytvořením párového svazku, zvýšenou teritoriální obranou a často biparentální péčí, se u zvířat několikrát nezávisle vyvinula. Navzdory nezávislému evolučnímu původu monogamních systémů páření se ukázalo, že několik homologních mozkových oblastí a neuropeptidů a jejich receptorů hraje konzervovanou roli při regulaci sociální příslušnosti a rodičovské péče, ale o neuromolekulárních mechanismech, které jsou základem monogamie v genomickém měřítku, je známo jen málo. Zde porovnáváme nervové transkriptomy reprodukčních samců u monogamních a nemonogamních druhů párů Peromyscus myši, Microtus hraboši, pěvci paridní, žáby dendrobatidní a Xenotilapie druhy cichlidových ryb. Zjistili jsme, že zatímco evoluční doba divergence mezi druhy nebo klady nevysvětluje podobnost genové exprese, charakteristiky systému páření korelovaly se vzorci exprese neurálních genů a exprese neurálních genů se u obratlovců při přechodu druhu k monogamii shodně lišila. Naše studie poskytuje důkazy o univerzálním transkriptomickém mechanismu, který je základem evoluce monogamie u obratlovců.

Rozmanitost sociálního chování zvířat motivovala množství studií, které zkoumají variace v behaviorálních repertoárech, smyslových a kognitivních specializacích a ekologických kontextech, ve kterých se vyvinuly. Navzdory této rozsáhlé variaci, působení hormonů, konkrétně pohlavních steroidů a neuropeptidů (1), a další kandidátské cesty se zdají být pozoruhodně konzervované v regulaci sociálního chování (např. 2 a 3). Nedávné studie navíc podporují zajímavou hypotézu, že koordinovaná aktivita konzervovaných genových sad je základem nezávislých evolučních přechodů k podobným behaviorálním fenotypům (4⇓⇓⇓-8). Nemělo by tedy být překvapením, že behaviorální fenotypy mohou sdílet molekulární mechanismy bez ohledu na jejich evoluční historii. Stejně jako existující zvířata musel i nejnovější společný předek čelit výzvám způsobeným kolísáním vnitřních a vnějších podmínek. Mechanismy používané těmito rodovými organismy k udržení homeostázy slouží jako stavební kameny pro evoluci odvozenějších behaviorálních reakcí, jak dokazuje konzervovaná role homologních oblastí mozku při zpracování sociálních signálů (9⇓-11). Na molekulární úrovni může být „souprava“ molekulárních drah a genových sítí zachována po stovky milionů let (12) a fenotypovou novinku lze často připsat novému použití takových konzervovaných genových sad (13, 14). Všudypřítomnost konzervovaných genových modulů je zdůrazněna fenology – funkčně a fyziologicky nesouvisejícími fenotypy u různých druhů se statisticky nadměrným zastoupením sdílených souborů základních ortologních genů (15). A konečně, nedávný pokrok v řešení evolučních vztahů mezi metazoárními zvířaty ukazuje, že homoplazie je mnohem běžnější, než se dříve oceňovalo (16), a to i mezi fenotypy s překrývajícími se molekulárními mechanismy [např. nervový systém (17, 18)]. Tyto objevy změnily naše myšlení o původu a vývoji morfologických a vývojových fenotypů, ale jen zřídka se používají při zkoumání evoluce chování.

Odhalení univerzálních mechanismů podobných fenotypů vyžaduje široce srovnávací přístup (19⇓-21). Zde se ptáme, do jaké míry jsou podobné neurální transkriptomické profily spojeny s variacemi v sociálním chování u obratlovců, přičemž jako příklad používáme evoluci systému páření a diskutujeme o důležitosti našeho objevu pro pochopení původu různorodosti chování. Zatímco užší zaměření v kladu může odhalit více kandidátních genů s podobnou expresí (6, 22), tyto výsledky nelze zobecnit napříč klady, což omezuje jejich širší implikace. Monogamní druhy s nemonogamními blízkými příbuznými lze nalézt nejméně u čtyř hlavních kladů obratlovců (teleostů, obojživelníků, ptáků, savců), což poskytuje jedinečnou příležitost prozkoumat, zda se opakované přechody do určitého systému páření vyvíjejí prostřednictvím sdílených transkriptomických mechanismů. Porovnáváme nervové transkriptomy reprodukčních samců u monogamních a nemonogamních druhů párů Peromyscus myši, Microtus hraboši, pěvci, dendrobatidní žáby a ektodinové cichlidy. Charakterizujeme podobnost vzorců exprese neurálních genů mezi druhy ve vztahu k podobnosti v systému páření, ekologickým atributům a době evoluční divergence. Zatímco ani podobnost v ekologii, ani v době divergence mezi klady nevysvětlovaly podobnost genové exprese, exprese neurálních genů se u obratlovců lišila shodně mezi samci monogamních a nemonogamních druhů. Geny s vysoce zvýšenou nebo sníženou expresí v monogamních druzích jednoho kladu mají pravděpodobně také vysoce zvýšenou nebo sníženou expresi v monogamních druzích jiného kladu. Naše studie poskytuje důkazy o univerzálním transkriptomickém mechanismu, který je základem monogamie u obratlovců.

Systémy páření zvířat lze charakterizovat jako sadu reprodukčních, rodičovských a agonistických fenotypů, které mohou být velmi variabilní mezi blízce příbuznými druhy (a dokonce i uvnitř) v závislosti na poměru pohlaví a ekologických faktorech, jako je riziko predace, distribuce zdrojů a rozsah. konkurence (23⇓-25). Navzdory této potenciální rozmanitosti byly podobné systémy páření popsány u mnoha vzdáleně příbuzných druhů. Sociální monogamie je například typicky charakterizována vytvořením párového svazku, zvýšenou územní obranou a často biparentální péčí; tato sada sociálního chování se mnohokrát nezávisle vyvíjela (23, 26). Studie párové vazby a rodičovské péče u savců, ptáků a ryb odhalují konzervovanou, i když komplexní roli arginin vasopresinu (AVP) a oxytocinu (OT), jakož i jejich receptorů při regulaci sociální příslušnosti (27⇓⇓⇓-31). Nedávné studie pokročily v našem chápání variací a vývoje takových cest, například tím, že ilustrují, jak kompromisy v životní historii jsou základem molekulárních, transkriptomických a epigenetických variací mezi jednotlivci (32). Méně pozornosti bylo věnováno charakterizaci složitosti neuromolekulárních mechanismů, které jsou základem monogamie v genomickém měřítku, včetně identifikace nových kandidátních genů a cest.

Výsledky a diskuse

Sdílené a jedinečné vzory napříč Clades.

V každém kladu jsme porovnávali expresi ortologních genových skupin (OGG) mezi druhy (Příloha SI, Obr. S3). Zjistili jsme, že průměrný rozdíl v expresi mezi páry druhů byl téměř nule u všech 1,979 XNUMX OGG (Příloha SI, Obr. S3A). Je zajímavé, že genová exprese byla nejméně variabilní mezi těmito dvěma druhy ptáků (Příloha SI, Obr. S3B), což lze vysvětlit tím, že systémy páření těchto párů druhů jsou podstatně podobnější než systémy ostatních kladů (Obr. 2). Konkrétně obojí Anthus spinoletta a Prunella modularis mohou tvořit párové vazby (i když méně často v P. modularis) a projevují přímou otcovskou péči (Obr. 2 a Příloha SISI a tabulka SI). Navzdory těmto rozdílům ve variaci exprese OGG napříč klady, analýza genové ontologie (GO) specifická pro klad odhalila vysokou konzervaci obohacení GO termínem zdůrazňující buněčnou komunikaci, aktivitu signálního receptoru a membránové proteiny, které jsou konzistentně spojeny s expresí související s monogamií napříč klady (Příloha SI, Obr. S4).

U obratlovců se genová exprese u samců monogamních a nemonogamních druhů shoduje.

K posouzení shody variací exprese OGG mezi monogamními a nemonogamními druhy napříč klady obratlovců jsme použili softwarový balík pro analýzu diferenciální exprese DESeq2 (33). Hodnotili jsme rozdílnou expresi OGG několikrát s odlišnými evolučními seskupeními od savců po všechny klady, kde byly monogamní druhy odlišných kladů zadány jako mezidruhové repliky monogamie (Obr. 3). Zjistili jsme, že rozdíly v expresi OGG jsou obecně shodné, zejména mezi OGG, které vykazují větší násobné rozdíly (Obr. 3). Navíc většina OGG udržuje směrovou shodu. Například mnoho z OGG, které vykazují zvýšenou expresi (pozitivní log2 násobný rozdíl) v jedné evoluční skupině (např. savci) vykazují zvýšenou expresi v jiných evolučních skupinách (Obr. 3). Tyto výsledky naznačují, že monogamní druhy u obratlovců rekrutují společnou sadu OGG navzdory evolučně nezávislým přechodům na podobné systémy páření. Zjistili jsme, že jak se evoluční referenční rámec rozšiřuje a do analýzy jsou přidávány vzdálenější příbuzné klade, méně OGG si zachovává význam. Zejména jsme nalezli velký pokles nadprahových OGG, když jsou zahrnuty páry druhů amniotů (tj. páry savců a ptáků) ve srovnání s pouze páry druhů savců (Obr. 3). Toto zjištění pravděpodobně odráží sníženou variabilitu exprese pozoruhodnou u našeho páru ptačích druhů (Příloha SI, Obr. S3). Zatímco pozorovaný účinek systému páření pro některé OGG může být menší v širších taxonomických měřítcích, přidání párů druhů zvyšuje statistickou sílu. S výjimkou výše popsaného srovnání mezi savci a ptáky je tedy pokles počtu OGG splňujících naši prahovou hodnotu poměrně malý (Obr. 3).

Když jsme zahrnuli všechny páry druhů, identifikovali jsme 123 OGG (6.2 %) spojených s monogamií napříč obratlovci (Příloha SI, Obr. S5). Zjistili jsme, že řada OGG významných na jedné úrovni analýzy nesplňuje práh významnosti na jiné (Obr. 3). Mnoho přístupů k analýze diferenciální exprese, včetně DESeq2, se při stanovení rozdílné exprese spoléhá na variaci exprese mezi biologickými replikáty. Tento přístup je limitující, když jsou biologické replikáty vysoce variabilní (34), jako je tomu v tomto případě, kdy jsou druhy různých kladů zahrnuty jako mezidruhové repliky monogamie. Kromě evoluční vzdálenosti pravděpodobně šum v naší analýze generuje řada biologických a technických vlastností (např. ekologické rozdíly mezi druhy, vzorkování tkáně s průběhem zrn a technické odchylky během sekvenování). Abychom identifikovali sdílené transkriptomické vzorce napříč monogamními druhy a posoudili, zda je stupeň překrývání exprese mezi monogamními druhy statisticky významný, využíváme přístup Rank-Rank Hypergeometric Overlap (RRHO) (34). Porovnání seřazených násobných rozdílů umožňuje objev OGG, které sdílejí vzorce exprese mezi monogamními druhy, aniž by vyžadovaly, aby hodnoty exprese byly podobné napříč evolučně vzdálenými klady. Kromě toho, namísto dodržování diskrétních prahů k identifikaci kandidátů s podobným výrazem, RRHO identifikuje kandidáty s koordinovanými směrovými posuny ve výrazu pomocí posuvného prahu (34) (Obr. 4).

S použitím RRHO včetně všech 1,979 XNUMX OGG najdeme obohacení překrytí OGG v extrémech na diagonále (tj. při vysoké log2 násobné rozdíly v expresi mezi monogamními a nemonogamními druhy v obou srovnávaných kladech; Obr. 4D). Nejpozoruhodněji jsme nalezli obohacené překrývání OGG vykazujících sníženou expresi u monogamních druhů všech kladů. Ve všech srovnáních má shodný down-regulovaný (tj. levý dolní) kvadrant RRHO grafů největší celkový význam (tj. nejvýznamnější průměr kvadrantu −log10 P hodnota), silně svědčící o univerzálním podpisu projevu mezi monogamními obratlovci (Obr. 4 C a D). Obecně nenajdeme obohacení u malého kmene2 fold-rozdíly až na několik výjimek (např. žáby a hraboši). Toto pozorování je pravděpodobně způsobeno skutečností, že většina OGG vykazuje malé násobné rozdíly (ačkoli mohou být důležité pro chování související s monogamií). Jemné variace v expresi genů zapojených do kladově specifických nebo základních buněčných funkcí by mohly maskovat potenciálně důležité podobnosti na této úrovni. Důsledkem tohoto omezení přístupu RRHO je, že pro OGG s malými násobnými rozdíly je k dosažení významného obohacení vyžadováno velké překrývání v OGG. Zajímavé je, že srovnání kladů zahrnujících žáby vykazují největší obohacení v mimodiagonálních (tj. nesouhlasných) oblastech. Konkrétně mnoho ortologních genových skupin, které vykazují sníženou expresi v jiných skupinách, se zvyšuje u monogamních žab, což je nález konzistentní s obecným trendem zvýšené genové exprese u monogamních žab (Příloha SI, Obr. S3A). Tento vzorec je jasný ve všech párových srovnáních zahrnujících žáby, což naznačuje, že vzorce exprese související s monogamií u žab jsou nejméně podobné ostatním kladům. Srovnání zahrnující ptáky vykazují nejmenší obohacení v překrývání OGG, možná proto, že systémy páření ptačích druhů v naší studii jsou si navzájem relativně podobné, jak bylo diskutováno výše. Důležité však je, že ptáci stále sdílejí stejný celkový vzorec překrytí OGG v extrémech na diagonále a vykazují silné podobnosti ve vzorcích exprese u OGG s vysokou diferenciální expresí (např. Vlevo dole a Vpravo nahoře kvadranty ptáků vs. myši a ptáci vs. ryby, Obr. 4D). Variace mezi klady v celkových a specifických vzorcích obohacení OGG mohou odrážet rozdíl mezi klady v druhově specifických rysech monogamie. Například mužská rodičovská péče je původní v kladu jedovaté žáby (35). Biparentální péče spojená s monogamií u našich ohniskových druhů se tedy vyvinula z péče zaujaté muži v našem žabím kladu spíše než z péče zaujaté ženami jako v jiných zde zkoumaných kladech. Budoucí analýzy – včetně druhů vykazujících některé, ale ne všechny reprodukční, rodičovské a agonistické fenotypy monogamie, stejně jako více anatomicky zaměřená analýza – mohou tuto variaci objasnit a umožnit oddělení a spojení vzorců genové exprese se specifičtějšími fenotypy chování.

Objev kandidátů, kteří jsou základem monogamie.

Identifikovali jsme 24 kandidátních genů, které jsou robustně (tj. nezávisle jak v diferenciální expresi, tak v analýzách RRHO) spojeny s monogamními systémy páření napříč obratlovci (Obr. 5, Příloha SI, Tabulka S7 a Datová sada S1). Je zajímavé, že napříč liniemi jsou geny zapojené do neurálního vývoje, signalizace mezi buňkami, synaptické aktivity (např. GRM6), učení a paměti (např. DSCAM) a kognitivních funkcí up-regulovány u monogamních mužů. Naopak geny zapojené do genové transkripce (např. geny spojené s RNA polymerázou II) a regulace AMPA receptoru jsou down-regulovány. Tyto rozdíly mohou naznačovat zvýšenou neurální plasticitu tváří v tvář přísnější regulaci transkripce u monogamních samců. Podrobnější diskuse o těchto kandidátních genech, včetně popisu neurolokalizace, je uvedena v Příloha SI, Tabulka S7 a Datová sada S1. Zatímco většina kandidátních OGG identifikovaných oběma přístupy k analýze diferenciální exprese (DESeq2 a RRHO) vykazuje zvýšenou expresi u monogamních samců, k největšímu překrytí dochází u OGG se sníženou expresí u monogamních samců (Obr. 4). Mnoho z těchto OGG nepřežije prahově závislou analýzu DESeq2, a proto jsou vyřazeny z našeho seznamu robustních kandidátů. Tradiční kandidáti asociovaní s chováním souvisejícím s monogamií (např. AVP a OT, stejně jako jejich receptory) nebyli identifikováni mezi těmi, kteří byli konzistentně exprimováni u monogamních samců, a u některých druhů nebyli identifikováni v analýze RNA-seq (Příloha SI, Obr. S6). Toto zjištění nenaznačuje, že tito tradiční kandidáti jsou nedůležití při regulaci chování souvisejícího s monogamií napříč těmito klady, ale spíše to, že jejich role (jsou-li u monogamních druhů zachovány) se neodrážejí v konzistentním vzoru exprese na hrubém neuroanatomickém měřítku, které jsme vzorkovaný.

Fylogenetické a ekologické koreláty.

Kombinovaný objev exprese OGG související s monogamií pomocí diferenciální expresní analýzy (Obr. 3) a obohacení genové exprese řadí korelaci mezi klady (Obr. 4) podporuje hypotézu, že sdílené vzorce genové exprese jsou základem behaviorální exprese monogamních pářících systémů napříč kladami obratlovců. Je však možné, že historické a ekologické rysy sdílené mezi klady ovlivňují podobnost vzorců exprese nervových genů. Podle návrhu byly páry druhů velmi podobné ve svých ekologických vlastnostech, lišily se především ve specifických vlastnostech jejich systémů páření (Obr. 2 a Příloha SISI a tabulky SI a S1). Výběr druhových párů kladem by tedy měl minimalizovat matoucí ekologické faktory; v podobnosti genové exprese však může hrát roli několik dalších faktorů. Za prvé, doba divergence mezi druhy se pohybuje mezi ~2.5 a 34 miliony let (36). Historická nepředvídatelnost může ovlivnit cestu evoluce tak, že blíže příbuzné druhy si mohou být podobnější díky sdílené evoluční historii. Za druhé, propracování systémů páření se u jednotlivých druhů liší, takže srovnání mezi monogamními a nemonogamními systémy páření nejsou mezi klady ekvivalentní. Například druhy ptáků zahrnuté v této studii sdílejí řadu charakteristik systému páření (Obr. 2). Abychom vyhodnotili roli evoluční historie a systému párování na divergenci genové exprese, porovnali jsme vzdálenosti evolučního systému a systému párování se vzdáleností exprese OGG pro všechny páry druhů. Ani evoluční vzdálenost, ani vzdálenost systému páření nekorelovaly s divergencí exprese OGG mezi páry druhů (Obr. 6 A a B). Pozoruhodně však zjišťujeme, že ptáci a žáby jsou si nejpodobnější ve svých příslušných transkriptomech a jsou si také nejpodobnější v charakteristikách systému páření, přičemž jsou zároveň nejvzdáleněji příbuzní ze všech druhů párů (ptáci: 29 Mya, žáby: 34.2 Mya; Obr. 1 a Příloha SI, Obr. S3). Když se odstraní variace exprese a párovacího systému, které lze připsat fylogenezi (pomocí fylogenetických nezávislých kontrastů), zjistíme významný vztah mezi expresí nervových genů a systémem páření (Obr. 6C). I když fylogenetická příbuznost a ekologické atributy ovlivňují podobnost neurálních transkriptomů napříč druhy komplexními způsoby, společně tato pozorování naznačují kritickou roli systému páření při řízení podobnosti genové exprese v mozku.

Obr. 2.

Obr. 2.

Systém páření a ekologické vzdálenosti mezi fokálními monogamními a nemonogamními páry druhů. Divergence mezi páry druhů je indikována intenzitou barvy. Oranžová označuje stavy znaků, které jsou vyjádřeny (nebo více propracovány) u monogamních druhů. Fialové znaky jsou vyjádřeny (nebo více propracovány) u nemonogamních druhů. Bílá znamená, že stav postavy je v druhovém páru podobný. Profily pro všechny druhy v této studii jsou uvedeny v Příloha SISI a tabulky SI a S1.

Obr. 3.

Obr. 3.

Grafy sopek ukazující, které z 1,979 2 OGG identifikovaných ve všech kladech jsou odlišně exprimovány na různých taxonomických úrovních (pouze savci, savci a ptáci, tetrapodi, všechny klady). Analýza diferenciální exprese byla provedena pomocí DESeq399, kde byly monogamní (nemonogamní) druhy každého kladu zahrnuty jako mezidruhové repliky monogamie (nemonogamie). Černé kruhy nevykazují žádný rozdílný výraz na žádné taxonomické úrovni. Analýza diferenciální exprese byla provedena na odlišných evolučních podskupinách: pouze savci (155 OGG shodně regulovaných), savci a ptáci (126 OGG), tetrapodi (tj. včetně žab; 123 OGG) a všechny čtyři klade obratlovců (tj. včetně ryb; XNUMX OGG). OGG s –log10 P hodnota > 1 a log2 násobný rozdíl menší než -1 (modrá) nebo větší než 1 (červená) jsou zvýrazněny. Čím tmavší je každý kruh, tím je výraz OGG, který představuje, napříč kladami konzistentnější. Jak se do analýzy přidává více linií, více OGG, které jsou významné v jedné analýze, spadá pod práh významnosti v jiné; přidáním párů druhů se však zvyšuje statistická síla v důsledku zvýšeného počtu mezidruhových replikací; takže, s výjimkou savců pouze evoluční podskupiny oproti savcům a ptákům, pokles počtu OGG splňujících naši prahovou hodnotu je malý.

Obr. 4.

Obr. 4.

RRHO logu souvisejícího s monogamií2 násobné rozdíly v genové expresi pro 1,979 XNUMX OGG identifikovaných napříč všemi klady. Hodnocený protokol2 násobné rozdíly v hladinách monogamní vs. nemonogamní mRNA jsou seskupeny do 44 sad 45 OGG od nejvíce down-regulovaných po nejvíce up-regulované u monogamních druhů každého kladu. Překrytí sady OGG se porovnává ve čtyřech kvadrantech definovaných přechodem mezi sestupnou a vzestupnou regulací v každém kladu (A, Přerušované čáry). Barva každého pixelu matice (A, červený čtverec) označuje obohacení v překrytí sady OGG na a nad tímto prahem diferenciální exprese (B) a je vyjádřen jako záporný log10 z Benjamini-Yekutieli-opraveno P hodnota. Význam obohacení je indikován barvou pixelu s teplými barvami indikujícími zvýšené obohacení. Pro každé párové srovnání kladů je síla překrytí sady OGG shrnuta jako nejvýznamnější kvadrantový průměr záporného logaritmu10 z BY-opravených (C). Průměr, medián a maximum P hodnoty pro každý kvadrant jsou uvedeny v Příloha SI, Tabulka S6. Šipky vedle siluet označují směrovost v linii A (první) a linii B (druhá) (C). Analýzy RRHO jsou uvedeny pro každé párové porovnání kladů (D). Negativní log10 BY-opravené P barevná škála hodnot se v jednotlivých grafech liší. Přerušované čáry označují polohu spínacího bodu od sestupné k vzestupné regulaci u monogamních druhů každého kladu. Šipky na barevné škále označují barvu na P hodnota = 0.05.

Obr. 5.

Obr. 5.

Objev monogamních kandidátních genů (OGG). Aby byl zajištěn přísný a konzervativní přístup k identifikaci OGG robustně spojených s monogamií napříč klady, musel jakýkoli daný gen/OGG splňovat dvě selekční kritéria. Nejprve musel OGG ukázat ±1 log2 násobek rozdílu exprese mezi monogamními a nemonogamními druhy v alespoň čtyřech kladech. Zadruhé, OGG musela patřit mezi nejvíce nahoru nebo dolů regulované v 6 z 10 analýz RRHO (jak je uvedeno v Obr. 4); to opět vyžadovalo, aby byl OGG konkordantně vyjádřen v alespoň čtyřech z pěti linií. Který klad (pokud existuje) je nekonkordantní, se může u každého OGG lišit. Relativní úrovně exprese těchto kandidátů jsou znázorněny v teplotní mapě. Všimněte si, že žádný klad není častěji nesouhlasný než kterýkoli jiný (Příloha SI, Tabulka S7).

Obr. 6.

Obr. 6.

Evoluční divergence (A) a rozdíly v charakteristikách systému páření (B) uvnitř kladů nekoreluje se vzdáleností genové exprese (Spearman ρ = −0.8, P = 0.95; ρ = 0.7, P = 0.12). Když se však variace exprese v důsledku fylogeneze odstraní (pomocí fylogeneticky nezávislých kontrastů) (C), nacházíme významný vztah mezi systémem páření a expresí nervových genů napříč klady (lineární regrese r2 = 0.6, t = 3.8, P = 0.005). Skóre systému páření bylo vypočteno jako součet charakteristik systému páření, kde vyšší hodnoty indikují propracovanější monogamii (tj. samci tvoří párová pouta, poskytují přímou a nepřímou rodičovskou péči, vykazují vysokou úroveň teritoriality a jsou méně sexuálně dimorfní; Obr. 2 a Příloha SISI a tabulky SI a S1). Analýza hlavní složky byla provedena na rozdílně vyjádřeném (±1 log2 násobný rozdíl alespoň v jednom kladu) a proměnná (Horní kvartil rozptylu napříč všemi druhy) OGG. Tato podskupina 401 OGG byla také použita pro divergenci exprese OGG v A a B. Vidět Příloha SI.

Závěry.

Pomocí komparativního transkriptomického přístupu jsme se zeptali, zda nezávislé přechody do monogamního systému páření napříč čtyřmi hlavními druhy obratlovců jsou spojeny se sdílenými vzory exprese neurálních genů. Sdílený mechanistický základ sociálního chování napříč vzdáleně příbuznými klady byl zdokumentován na úrovni nervových obvodů, kde je exprese neurochemických genů specifická pro oblast mozku pozoruhodně zachována v síti sociálního rozhodování předního a středního mozku obratlovců (37). Další srovnání exprese neurálních genů agresivního chování u včel, lipnic a myší (4) poskytují podporu pro hypotézu, že široké podobnosti v sociálním chování napříč druhy mohou vyplývat z nezávislého náboru starověkých genových modulů. Nicméně závěr z této analýzy byl omezen složitostí homologie mezi mozky u včel a mozkovými oblastmi odebranými u myší a lipnic. Tuto předchozí srovnávací studii exprese neurálních genů sociálního chování rozšiřujeme porovnáním ekvivalentních mozkových pitev a poskytnutím fylogeneticky informovaného hodnocení podobnosti transkriptomů u monogamních druhů odlišných a vzdáleně příbuzných kladů. Kromě toho pečlivým hodnocením charakteristik systému páření a ekologických atributů a zohledněním fylogenetické nesamostatnosti testujeme alternativní hypotézy, které jsou základem původu transkriptomických podobností, které mají původ v nezávislých evolučních přechodech k monogamii napříč obratlovci. Zatímco naše vzorkování celých předních a středních mozků poskytuje hrubozrnný pohled na neuromolekulární koreláty párovacího systému, tento přístup obchází potenciální problémy s někdy slabou homologií oblastí mozku a zajišťuje konzistentní vzorkování napříč klady.

Naše analýza ukazuje, že monogamní druhy vzdáleně příbuzných kladů obratlovců sdílejí více podobností genové exprese, než by se dalo očekávat náhodou, zejména u OGG, které jsou vysoce odlišně exprimovány u monogamních druhů. Sdílená exprese OGG napříč těmito klady poskytuje důkazy o hluboce homologních mechanismech, které jsou základem sady reprodukčních, rodičovských a agonistických behaviorálních fenotypů, které doprovázejí monogamní systémy páření. Náš objev přispívá k rostoucímu počtu výzkumů zdůrazňujících sdílené mechanické základy nezávisle se vyvíjejících morfologických a fyziologických fenotypů (12). Tato práce ilustruje, že nezávislý vývoj komplexních behaviorálních fenotypů, jako je monogamie, je lépe konceptualizován jako produkt paralelních i konvergentních procesů, kde mnoho složek základního mechanismu vzniká paralelním náborem hluboce sdílených genových sítí a některé mechanismy se vyvíjejí de novo. (38⇓-40). Tvrdíme, že koncepční posun je zásadní pro dosažení pokroku směrem k testování mechanistických hypotéz evoluce komplexního sociálního chování pomocí komparativních 'omických přístupů (jak bylo navrženo pro morfologické rysy; srov. 41). Protože převaha důkazů podporuje staré, hluboce homologní molekulární a vývojové cesty v evoluční diverzifikaci, lze očekávat, že podobné fenotypy budou mít mechanické podobnosti bez ohledu na evoluční původ. V rámci tohoto modelu se očekává, že nezávislé evoluční přechody k podobným behaviorálním fenotypům budou sdílet podobné mechanismy v důsledku (i) integrace nových vlastností se sdílenými fyziologickými procesy předků as nimi spojenými vývojovými a genetickými cestami; a (ii) podobné výzvy základní fyziologii, které organismy zažívají při evoluci těchto podobných fenotypů. Zatímco předchozí popisy transkriptomických podobností mezi evolučně odlišným komplexním chováním se soustředily na podobnosti genové exprese, tento koncepční přístup poskytuje kontext pro využití podobností i rozdílů v genové expresi k pochopení mechanistického základu evoluce komplexních vlastností. Celkově naše výsledky naznačují, že nezávislé evoluční přechody k monogamnímu systému páření napříč kladami obratlovců jsou doprovázeny podobnými změnami v genové expresi v mužském předním a středním mozku. V kombinaci s objevem sdílených transkriptomických mechanismů spojených s agresí (4), naučené vokalizace u ptáků a lidí (5), a kastovní diferenciace u blanokřídlých (7), výsledky zde uvedené značně rozšiřují naše chápání toho, jak se různorodost chování vyvíjí.

Materiály a metody

Veškeré postupy péče o zvířata a jejich používání byly schváleny Texaskou univerzitou v Austinu; University of Memphis; Kalifornská univerzita, Davis; University of Bath; East Carolina University; a Tulane University. Použitím nezaujatého přístupu k identifikaci vzorců exprese neurálních genů spojených s monogamním systémem páření a k omezení vzorů specifických pro klad v naší křížové analýze jsme sekvenovali a porovnali neurální transkriptomické profily z reprodukčních samců blízce příbuzných monogamních a nemonogamních druhů ze čtyř hlavních třídy obratlovců (n = 3 sdružení jedinci na druh): Savci (Microtus ochrogaster proti Microtus pennsylvanicus a Peromyscus californicus proti Peromyscus maniculatus); Reptilia–Aves (A. spinoletta proti P. modularis); obojživelníky (Ranitomeyův imitátor proti Oophaga pumilio); a Actinopterygii (Xenotilapia spilotera proti Xenotilapia ornatipinnis) (Obr. 1). Všechna sekvenční data v této publikaci byla uložena v National Center for Biotechnology Information Gene Expression Omnibus (42). Postupy odběru vzorků jsou podrobně popsány v Příloha SI. Tyto vybrané páry druhů se liší v charakteristikách systému páření, ale jsou podobné v jiných ekologických atributech (Obr. 2; Příloha SISI a tabulky SI a S1; a ref. 43).

Jednou výzvou spojenou se srovnávací analýzou vzorců genové exprese napříč vzdáleně příbuznými druhy je identifikace homologních tkání a srovnatelných ortologních genů. Abychom omezili požadavek na odvození homologie oblasti mozku přes vzdáleně příbuzné klade, extrahovali jsme RNA z kombinovaných tkání předního a středního mozku po odstranění zadního mozku. Abychom zlepšili srovnatelnost v transkriptomické analýze, zaměřujeme se spíše na expresi OGG než na jednotlivé geny. U našich 10 druhů jsme identifikovali 1,979 XNUMX OGG pomocí softwarového balíčku OrthoMCL (44). Zaměřili jsme se na identifikaci vzorců projevů souvisejících s monogamií. Pokud tedy OGG obsahoval více než jeden gen (Příloha SI, Tabulka S4; hraboši: 588, 30.0 %; myši: 536, 27 %; ptáci: 320, 16 %; žáby: 228, 12 %; ryby: 747, 38 %), gen s nejvyšším log2 násobek rozdílu mezi monogamními a nemonogamními páry druhů byl použit pro zbytek analýzy (jako v ref. 4). Geny ve stejných OGG byly obecně shodné ve směrovosti rozdílu exprese (Příloha SISI a tabulka SI). Výběr nejvíce odlišně exprimovaného paralogu tedy nezakryl celkovou podobnost ve vzoru exprese a umožnil následnou analýzu kandidátních genů. Pro každý OGG a každý klad byl tedy jako reprezentativní gen vybrán gen s největším rozdílem v expresi mezi monogamními a nemonogamními druhy (Datová sada S2 a ref. 45). Pro stručnost označujeme expresi tohoto reprezentativního genu jako OGG expresi.

Poděkování

Děkujeme A. Ballovi, R. Harrisovi a R. Karovi za pomoc s výzkumem; A. Battenhouse, B. Goetz a E. Ortego (Centrum výpočetní biologie a bioinformatiky, University of Texas v Austinu), C. Jordan a Texas Advanced Computing Center (University of Texas Austin) za technickou podporu; a D. Crewsovi a členům laboratoře HAH za diskusi a užitečné komentáře k dřívějším verzím tohoto rukopisu. Tato práce byla podpořena nadací Alfreda P. Sloana (BR-4900); NSF uděluje IOS-1354942, IOS-1501704 a IOS-1601734 (pro HAH); NIH Grant R01 MH85069-S2 (pro BCT); a výzkumné stipendium János Bolyai Maďarské akademie věd (do Á.P.).

Poznámky pod čarou

Publikováno pod licence PNAS.