Neue Erkenntnisse darüber, wie Gene Balz und Aggression steuern

28. April 2020

Neue Erkenntnisse darüber, wie Gene Balz und Aggression steuern

Zwei neue Studien von Salk-Forschern zeigen, wie geschlechtsbestimmende Gene das Verhalten von Fruchtfliegen beeinflussen können

28. April 2020

LA JOLLA – Fruchtfliegen üben, wie viele andere Tiere auch, unterschiedliche Balz- und Kampfverhalten aus. Jetzt haben Salk-Wissenschaftler die molekularen Mechanismen aufgedeckt, durch die zwei geschlechtsbestimmende Gene das Verhalten von Fruchtfliegen beeinflussen. Sie zeigten, dass das Balz- und Aggressionsverhalten der männlichen Fliegen durch zwei unterschiedliche genetische Programme vermittelt wird. Die Ergebnisse, beide veröffentlicht in eLife am 21. April 2020 zeigen die Komplexität des Zusammenhangs zwischen Sex und Verhalten.

„Werbung und Aggression scheinen durch diese beiden Gene einigermaßen getrennt gesteuert zu werden“, sagt er Kenta Asahina, Assistenzprofessor am Molecular Neurobiology Laboratory in Salk und leitender Autor der beiden Artikel. „Verhaltensweisen, die durch unterschiedliche genetische Mechanismen gesteuert werden, können im Hinblick auf die Evolution einige Vorteile haben.“ Mit anderen Worten, erklärt er, kann eine Fliegenpopulation, die unter evolutionärem Druck steht, stärker zu konkurrieren – möglicherweise aufgrund begrenzter Ressourcen – aggressives Verhalten entwickeln, ohne die Balz zu beeinträchtigen.

Die Aggression männlicher Fruchtfliegen richtet sich in erster Linie gegen andere Männchen, während ihr Balzverhalten – das eine Reihe von Bewegungen und Liedern beinhaltet – auf weibliche Fliegen gerichtet ist. Beide Verhaltensweisen werden durch die Evolution im Laufe der Zeit verstärkt, da die Fähigkeit männlicher Fliegen, mit anderen Männchen zu konkurrieren und Weibchen anzulocken, sich direkt auf ihre Fähigkeit zur Paarung und Weitergabe ihrer Gene auswirkt.

Forscher wussten bereits, welche Neuronen im Gehirn für die Kontrolle von Aggression und Werbung wichtig sind. Im Allgemeinen hatten Studien gezeigt, dass spezialisierte Gehirnzellen, sogenannte P1/pC1-Neuronen, sowohl das Werben als auch die Aggression fördern, während Tk-GAL4^FruM Neuronen fördern gezielt Aggression. Sie wussten auch, dass die beiden geschlechtsbestimmenden Gene „fruitless“ (fru) und „doublesex“ (dsx) bei diesem Verhalten eine Schlüsselrolle spielten. Aber der Zusammenhang zwischen den Genen und den Verhaltensweisen war nicht klar.

In der neuen Studie hoben Asahina und seine Kollegen hervor Drosophila Fruchtfliegen, die lichtaktivierbare Versionen der Balz- und Aggressionsneuronen enthielten. Das Team konnte die Neuronen jederzeit einschalten, indem es die Fliegen mit Licht beleuchtete. Als nächstes veränderten die Forscher die fru- oder dsx-Gene in einigen dieser männlichen Fliegen. Anschließend entwickelten sie ein automatisiertes System, das maschinelles Lernen nutzte, um Videos der Fliegen zu analysieren und zu zählen, wie oft sie aggressives Verhalten oder Balzverhalten an den Tag legten.

„Wir haben ein Computersystem entwickelt, um aggressives Verhalten und Werbeverhalten zu erfassen und Aktionen schneller und genauer zu zählen“, sagt Salk-Postdoktorand Kenichi Ishii, Co-Erstautor der beiden neuen Arbeiten. „Es war eigentlich schwierig und zeitaufwändig, das Programm zum Laufen zu bringen, aber am Ende war es für uns einfacher, gute Daten zu erhalten.“

Das Team fand heraus, dass dsx für die Bildung von Balz-induzierenden Neuronen erforderlich ist: Wenn die Fruchtfliegen die weibliche Version von dsx hatten, waren die Balz-Neuronen nicht mehr vorhanden. Andererseits spielte Fru eine andere Rolle – ohne dieses Gen könnten Fliegen durch die Aktivierung von Balzneuronen immer noch zu Balzverhalten überredet werden, aber die Balz richtete sich sowohl an Männchen als auch an Weibchen, was darauf hindeutet, dass Fru für Fliegen erforderlich war, um zwischen ihnen zu unterscheiden Geschlechter. Für die Aggression waren die Ergebnisse jedoch umgekehrt: Für die Aktivierung von Aggressionsneuronen war fru, aber nicht dsx erforderlich, um bei männlichen Fliegen Kämpfe auszulösen

„Dies ist ein wichtiges Beispiel für die neurobiologischen Unterschiede zwischen den Geschlechtern und für die Art von Ansätzen, mit denen wir sexuell verbundenes Verhalten untersuchen können“, sagt Asahina, der den Helen McLoraine Developmental Chair in Neurobiology innehat.

„Ich denke, das Interessante daran ist, zu verstehen, dass Sex wirklich keine binäre Sache ist“, sagt Margot Wohl, Doktorandin an der UC San Diego, Co-Erstautorin beider neuer Arbeiten. „Viele Faktoren kommen zusammen, um Verhaltensweisen zu steuern, die sich zwischen den Geschlechtern unterscheiden.“

Da die Geschlechtsbestimmung bei Fliegen ganz anders ist als bei Menschen – Fruchtfliegen haben beispielsweise keine Sexualhormone – lassen sich die neuen Erkenntnisse nicht auf die Frage übertragen, wie sich biologisches Geschlecht auf das Verhalten von Menschen auswirken kann. Aber Asahina sagt, sein Ansatz – die Kombination von Optogenetik und geschlechtsgebundener Genmanipulation – könnte nützlich sein, um Verhaltensweisen zu verstehen, die bei anderen Tieren je nach Geschlecht unterschiedlich sind.

Andre DeSouza von Salk war auch Autor eines der beiden Artikel.

Die Arbeit wurde durch Zuschüsse des National Institute of General Medical Sciences (GM119844) unterstützt; das National Institute on Deafness and Other Communication Disorders (DC015577); die Naito-Stiftung; die Japanische Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft; die Mary K. Chapman Foundation; und die Rose Hills Foundation.

 

Zeitschrifteninformationen

 

Tagebuch: eLife
Titel: Geschlechtsbestimmende Gene regulieren die Balzfähigkeit und Zielpräferenz eindeutig über sexuell dimorphe Neuronen
Autoren: Kenichi Ishii, Margot Wohl, Andre DeSouza und Kenta Asahina
DOI: 10.7554/eLife.52701

 

Tagebuch: eLife
Titel: Vielschichtige Rollen fruchtloser Isoformen bei der Spezifikation und Funktion männlicher aggressionsfördernder Neuronen in Drosophilaneuronen
Autoren: Margot Wohl, Kenichi Ishii und Kenta Asahina
DOI: 10.7554/eLife.52702