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Jahrbuch 2015/2016 | Dittrich, Falk; Frankl-Vilches, Carolina; Ko, Meng-Ching; Diales da Rocha, Mariana;
Leitner, Stefan; Gahr, Manfred | W ie Geschlechtshormone den Vogelgesang regulieren
Wie Geschlechtshormone den Vogelgesang regulieren
How sex hormones regulate birdsong
Dittrich, Falk; Frankl-Vilches, Carolina; Ko, Meng-Ching; Diales da Rocha, Mariana; Leitner, Stefan; Gahr,
Manfred
Max-Planck-Institut für Ornithologie, Seew iesen
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Artspezifische saisonale Gesangsveränderungen, die durch Geschlechtshormone verursacht w erden, können
auf Unterschieden in den Genexpressionsmustern beruhen, die im Gesangskontrollsystem induziert w erden.
Dabei basieren die Unterschiede der Geschlechtshormonw irkung zw ischen Singvogelarten auf artspezifischen
genomischen
Regulationsmechanismen.
Trotzdem
modifizieren
Geschlechtshormone
die
neuronalen
Verschaltungen im Gehirn bei Singvögeln w ie bei Säugetieren zum Teil durch ähnliche zelluläre Prozesse.
Summary
Species-specific seasonal changes of bird song, that are caused by sex hormones, can be a consequence of
distinct gene expression patterns induced in the song control system. In songbirds, different sex hormone
activities are based on divergent genomic regulatory mechanisms. How ever, neuronal w iring of the songbird
as w ell as mammalian brain is modified by sex hormones via to some extent comparable cellular processes.
Geschlechtshormone
haben
bei
W irbeltieren
einen
entscheidenden
Einfluss
auf
die
Ausprägung
physiologischer, morphologischer und verhaltensbiologischer Merkmale, die den Erfolg bei der Fortpflanzung
bestimmen. So steht bei Vögeln die Ausprägung des Territorial- und Fortpflanzungsverhaltens, und bei
Singvögeln insbesondere die des Balzgesanges unter dem Einfluss des Geschlechtshormons Testosteron
(Abb. 1). Geschlechtshormone regulieren solche für die Fortpflanzung relevanten Merkmale über genetische
und zelluläre Mechanismen. Da sie somit potenzielle Ansatzpunkte für Selektionsprozesse der Evolution
darstellen, sind diese aus verhaltensbiologischer Sicht von besonderem Interesse. Die neuesten Arbeiten
einer Arbeitsgruppe um Manfred Gahr vertiefen das W issen um jene hormonellen Regulationsmechanismen,
die
bei
Singvögeln
in
dem
für
das
Erlernen
und
die
Produktion
des
Gesangs
verantw ortlichen
Gesangskontrollsystem des Vorderhirns w irksam sind.
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A bb. 1: Ka na rie nvöge l sind e in gut unte rsuchte s
Singvoge lm ode ll, be i de m de r Ge sa ng ha uptsä chlich von
Mä nnche n produzie rt, sa isona l ve rä nde rt und durch
Te stoste ron re gulie rt wird. In de r Abbildung sind in
Spe k trogra m m e n die Silbe n von Ge sa ngsa usschnitte n
da rge ste llt. (A) Be im Ge sa ng m ä nnliche r Ka na re ngirlitze (=
W ildform de s Ka na rie nvoge ls) ist die W ie de rholungsfre que nz
e inige r wä hre nd de r Brutsa ison (breeding season) ve rwe nde te n
Silbe n höhe r a ls be i de ne n, die a uße rha lb de r Brutsa ison (nonbreeding season) produzie rt we rde n. Da rübe r hina us singe n die
Mä nnche n ca . 25 % de r Silbe n in nur e ine r de r be ide n
Fortpfla nzungspha se n. (B) W e ibche n dom e stizie rte r
Ka na rie nvöge l singe n in de r R e ge l nicht. Je doch k a nn e ine
m e hrwöchige syste m ische Be ha ndlung m it Te stoste ron be i
W e ibche n die Ge sa ngse ntwick lung induzie re n.
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Geschlechtshormone und Balzgesang
Das
Gesangskontrollsystem
der
Singvögel
besteht
aus
einem
Netzw erk
untereinander
durch
Projektionsneurone verschalteter Kernregionen, die sich anatomisch deutlich von dem sie umgebenden
Gehirngew ebe unterscheiden (Abb. 2) [1]. Singvogelarten, bei denen hauptsächlich die Männchen Gesänge
produzieren, zeichnen sich durch einen ausgeprägten Sexualdimorphismus aus: ihre Kernregionen sind
erheblich größer.
W ie anderen phänotypischen Geschlechtsmerkmalen des W irbeltiergehirns liegen auch der sexuell dimorphen
Differenzierung des Gesangskontrollsystems Mechanismen zugrunde, die durch Geschlechtschromosomen
festgelegt w erden, w ohingegen Geschlechtshormonen w ährend der Jugendentw icklung eine aktivierende
Rolle zukommt. So kontrolliert Östrogen bei jungen Zebrafinkenmännchen in einem übergeordneten Kern des
Gesangskontrollsystems zu Beginn der Gesangslernphase die Expression des Nervenw achstumsfaktors BDNF
(brain-derived neurotrophic factor), der eine w ichtige Rolle beim Gesangslernen spielt [2, 3].
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A bb. 2: Im ze ntra le n Ne rve nsyste m de r Singvöge l
a k k um ulie re n in de n Ke rne n de s Ge sa ngsk ontrollsyste m s
je ne Ne rve nze lle n, die da s Ge sa ngsve rha lte n ste ue rn. Am
obe re n Ende ihre s Ne tzwe rk e s lie gt im Vorde rhirn de r HVC . Ein
Typ se ine r P roje k tionsne urone form t die prä m otorische Ba hn
und inne rvie rt de n robust nucleus of the arcopallium (R A) dire k t.
Ein a nde re r Ne urone ntyp se nde t se ine Fortsä tze zur Are a X,
wom it die a nte riore Vorde rhirnschle ife be ginnt, die übe r
we ite re Ke rne e be nfa lls de n R A e rre icht. Von dort a us wird
übe r m otorische Ne rve nze lle n im Hirnsta m m die Ak tivitä t de r
Musk e ln de s La utbildungsorga ns (Syrinx ) und de s
R e spira tionssyste m s k ontrollie rt.
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Für eine w ichtige Rolle des gonadalen Hormons für das adulte Gesangsverhalten spricht die bei Männchen
verschiedener Singvogelarten gemachte Beobachtung, dass eine Rückbildung des Balzgesanges nach
Kastration durch Testosteron rückgängig gemacht w erden kann. Auch lässt sich bei erw achsenen Männchen
von
Singvogelarten
gemäßigter
Klimazonen
die
Testosteronkonzentration
im
Blut
mit
saisonalen
Veränderungen des Gesangsverhaltens und der Morphologie einiger Kerne des Gesangskontrollsystems
korrelieren. So steigt die Testosteronkonzentration im Blutplasma infolge zunehmender Tageslängen zu
Beginn der Brutperiode an und führt zu Veränderungen im Gesangskontrollsystem. Fraglich bleibt, w elche der
genetischen und zellulären Veränderungen ursächlich mit der W irkung des Hormons auf die Qualität des
Gesangs verbunden sind.
Geschlechtshormone und adultes Gesangskontrollsystem
So w ie Testosteron die Lautstärke, Dauer und Qualität des Vogelgesangs verändert, kann es das Wachstum
der
Muskeln
des
Gesangskontrollsystems
Lautbildungsorgans
und
die
(Syrinx),
Eigenschaften
Motivation
seiner
vermittelnde
neuronalen
Kerne
Innervierungen
beeinflussen.
Zu
des
den
morphologischen Veränderungen, die in bestimmten Kernen nach langfristiger Testosteronbehandlung
auftreten, gehört die Volumenzunahme als Folge vergrößerter Neuronenkörper und Zellabstände, sow ie der
Bildung neuer Nervenzellen (Neurogenese). Dendritenbäume, die Gesamtheit der Nervenzellfortsätze mit
Reizeingängen, w achsen und die Anzahl dendritischer Sporne und Synapsen nimmt zu (Abb. 3a, b).
Hinsichtlich dieser Prozesse w urden bis vor kurzem allein die an der Neurogenese beteiligten molekularen
Vorgänge
der Testosteronw irkung näher untersucht. Als
Versuchsmodell diente
dabei der w eibliche
Kanarienvogel, bei dem - w ie bei den Weibchen manch anderer Singvogelart - die Differenzierung des
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Gesangskontrollsystems und männlicher Gesang durch Testosteron induziert w erden kann. Bereits vier Tage
nach Beginn der Behandlung stimuliert Testosteron im HVC des Gesangskontrollsystems die Expression von
VEGF (vascular endothelial growth factor), einem Wachstumsfaktor für das Endothel, sow ie die des VEGFRezeptors. Die Expression der perivaskulären Gelatinase MMP2 (matrix metalloproteinase 2) steigt an und nach
zw ei Wochen ist die BDNF-Expression in den Endothelzellen des HVC erhöht. So löst Testosteron im HVC eine
Vergrößerung des mikrovaskulären Systems aus, das vermehrt BDNF sezerniert, w odurch die Rekrutierung neu
geborener Nervenzellen unterstützt w ird. Die Rolle dieses Prozesses für die Testosteron-abhängige
Entw icklung eines männlichen Gesangs beim Kanarienvogelw eibchen ließ sich experimentell nachw eisen,
indem er durch die pharmakologische Hemmung der VEGF-Rezeptor-Aktivität verhindert und durch die
zusätzliche Expression von exogenem BDNF stimuliert w erden konnte [4]. Ob Testosteron im HVC w eitere
zelluläre Prozesse verändert, sollten Transkriptom-Analysen zeigen, die der Untersuchung der Expression aller
Gene dienen.
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A bb. 3: Die be im we ibliche n Singvoge l durch Te stoste ron
induzie rte Ge sa ngse ntwick lung ve rä nde rt die Ke rnre gione n
de s Ge sa ngsk ontrollsyste m s. Be im HVC führt die horm one lle
Be ha ndlung zu e ine r (A) Volum e nzuna hm e , (B)
Ve rvie lfä ltigung de r de ndritische n Ve rzwe igunge n und Sporne
und (C ) ve rstä rk te n Tra nsk ription de s BDNF-Ge ns. Ge ze igt
we rde n Mik rofotogra fie n vom HVC de s (A, B) Ka na rie nvoge ls
und (C ) Europä ische n R otk e hlche ns in histologische n
Ge hirnschnitte n na ch e ine r (A) Nissl-Fä rbung, (B) GolgiIm prä gna tion, bzw. (C ) In-situ-Hybridisie rung m it e ine r
ra dioa k tive n Sonde für da s Tra nsk ript de s BDNF-Ge ns und
a nschlie ße nde r Autora diogra fie . P fe ile de ute n a uf de n
ve ntra le n R a nd vom HVC . Da te n für (C ) a da ptie rt na ch [5].
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R ocha
Testosteron und Transkriptom des HVC
Genomw eite Genexpressionsanalysen zeigten bei verschiedenen Singvogelarten, dass Testosteron im HVC
eine Vielzahl von Prozessen verändert. Als die prominentesten Testosteroneffekte erw iesen sich bei
männlichen
w ie
w eiblichen
Kanarienvögeln
die
Morphogenese
des
Blutgefäßsystems
und
von
Nervenzellfortsätzen sow ie die Zunahme der synaptischen Aktivität [5, 6]. Übereinstimmend mit der
hormonellen W irkung auf die Nervenzellfortsätze im HVC der Singvögel ist bekannt, das Testosteronmetabolite
w ie Östradiol bei Nagetieren in verschiedenen Hirnarealen einen anregenden Effekt auf das Wachstum von
Dendritenbäumen
haben.
Angiogenese,
das
Wachstum
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von
Blutgefäßen,
ist
als
neuroprotektiver
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W irkungsmechanismus von Östradiol im Säugetiergehirn beschrieben, ebenso w ie eine durch Östradiol
erhöhte synaptische Aktivität im Hippocampus und die verstärkte Erregbarkeit von bestimmten Neuronen im
Hypothalamus.
Für ein
genaueres
Verständnis
der Regulationsmechanismen
des
Testosterons
im adulten
HVC
ist
bemerkensw ert, dass die Stimulation der Expression von BDNF ein in der Evolution w eitgehend unverändert
erhalten gebliebener Regulationsmechanismus zu sein scheint (Abb. 3c) [5]. Für das Nagetiergehirn ist eine
entsprechende W irkung von Östrogen bereits bekannt. Allerdings ist noch nicht endgültig geklärt, ob bei der
gut
untersuchten
und
durch
Östrogen
stimulierten
Entw icklung
dendritischer
Sporne
eine
kausale
W irkungskette vorliegt. Ob beim hormonell induzierten Vogelgesang die entscheidende Funktion von BDNF im
Rahmen der Rekrutierung neu gebildeter Nervenzellen im HVC beschrieben w erden kann, ist ebenfalls fraglich.
Einen Hinw eis auf eine w eitere Rolle von BDNF geben die Beobachtungen, dass die verstärkte Expression von
BDNF und die Veränderung der Verschaltung von Nervenzellen nicht nur konservierte Testosteroneffekte im
Gesangskontrollsystem sind, sondern w ahrscheinlich auch in einem kausalen Zusammenhang stehen, w ie er
bei Nagetieren bereits vielfach gezeigt w erden konnte.
Vergleicht man die Testosteroneffekte im HVC beider Geschlechter und verschiedener Singvogelarten, so
scheint z. B. die Neurogenese bei w eiblichen Kanarienvögeln sehr viel stärker durch Testosteron stimuliert zu
w erden als bei Männchen. Im Unterschied zum w eiblichen Kanarienvogel w eisen die im HVC w eiblicher
Rotkehlchen durch Testosteron hervorgerufenen Veränderungen der Genexpression nicht auf eine deutliche
Stimulation der synaptischen Reizw eiterleitung hin. Zelluläre Effekte von Testosteron auf den HVC können
folglich geschlechts- und artspezifisch sein, ebenso w ie es die durch Testosteron induzierten Gesänge sind.
Diese partielle Heterogenität der Testosteroneffekte auf der Ebene zellulärer Prozesse beruht auf erheblichen
Unterschieden zw ischen Vogelarten hinsichtlich der Anzahl der durch das Hormon regulierten Gene (Abb. 4a).
Dafür mit verantw ortlich können Unterschiede im Bereich ihrer regulativen Sequenzen sein.
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A bb. 4: Die Artspe zifitä t de r Ve rä nde runge n de s
Ge ne x pre ssionsm uste rs im HVC , die Te stoste ron induzie rt,
k önnte a uf Unte rschie de n a uf de r Ebe ne ge nom ische r
R e gula tionsm e cha nism e n be ruhe n. (A) W e ibche n
ve rschie de ne r Singvoge la rte n unte rsche ide n sich im Ante il de r
Ge ne a m HVC -Tra nsk riptom , die durch Te stoste ron re gulie rt
we rde n. Die je we ilige Da ue r de r Te stoste ronbe ha ndlung ist
a nge ge be n. Da zwa r da s Ge nom de s Ka na rie nvoge ls, nicht
a be r je ne s vom R otk e hlche n se que nzie rt ist, k önne n die
ge nom ische n R e gula tionsm e cha nism e n zwische n die se n
be ide n Voge la rte n noch nicht für vie le Ge ne m ite ina nde r
ve rgliche n we rde n. (B) Möglich ist die s a be r für de n
Ze bra fink e n und de n Ka na rie nvoge l. Im Ge ge nsa tz zum
Ka na rie nvoge l unte rlie gt de r m ä nnliche Ge sa ng be im
Ze bra fink e n k e ine n sa isona le n Ve rä nde runge n und wird k a um
durch Te stoste ron be e influsst. Da s Ba lk e ndia gra m m ze igt de n
Ante il von Ge ne n a m Ge npool, die nur be im Ka na rie nvoge l
zum sa isona le n Te stoste ron-se nsitive n HVC -Tra nsk riptom
ge höre n, und Bindungsste lle n für de n Androge n- (androgen
response element, ARE) bzw. Ö stroge nre ze ptor (estrogen
response element, ERE) in de n P rom otore n a ufwe ise n,
a lle rdings nur be im Ka na rie nvoge l. Da te n a da ptie rt na ch [5,
6]
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Genetische Regulationsmechanismen
Kernrezeptoren für Geschlechtshormone sind dafür prädestiniert, relativ langsame Effekte auszulösen, w ie die
erst nach mehreren Tagen einer Behandlung einsetzende qualitative Veränderung des Gesangs eines Vogels.
Über Bindungsstellen in regulatorischen Regionen der Erbsubstanz (Promotoren) üben diese Rezeptoren im
Zellkern einen Einfluss auf die Genexpression aus. Die Präsenz dieser Bindungsstellen ist artspezifisch,
vergleicht man die männlichen Genome des Kanarienvogels, der eine saisonale und hormonabhängige
Veränderung des Gesanges zeigt, mit dem des Zebrafinken, bei dem dies nicht erfolgt. Unter Berücksichtigung
solcher Gene, die beide Arten im HVC exprimieren und die beim Kanarienvogel sow ohl saisonal als auch durch
Testosteron reguliert sind, ließ sich bei Kanarienvögeln eine höhere Zahl an Genen mit Bindungsstellen für den
Östrogen- und Androgen-Rezeptor in den Promotoren finden (Abb. 4b) [6]. Das größere Potenzial an
Veränderungen des Genexpressionsmusters im HVC, die Geschlechtshormone hervorrufen, könnte beim
Kanarienvogel eine Anpassung sein, die im adulten Zustand w iederholt Gesangsveränderungen ermöglicht.
Die Männchen vieler Singvogelarten der gemäßigten Zonen produzieren innerhalb und außerhalb der
Brutsaison unterschiedliche Gesänge, und bei einigen konnte bereits gezeigt w erden, dass deren Strukturen
durch Geschlechtshormone veränderbar sind. Dabei w ies der Umfang der Veränderungen große artspezifische
Unterschiede auf [7]. Vergleichende Untersuchungen der genetischen Regulationsmechanismen, durch die
Geschlechtshormone bei Singvögeln unterschiedliche qualitative Veränderungen des Gesanges hervorrufen,
können zu einem tieferen Verständnis des Zusammenhangs zw ischen der Evolution von Promotoren und der
eines geschlechtsspezifischen Verhaltens führen.
Literaturhinweise
[1] Bolhuis, J. J.; Gahr, M.
Neural mechanisms of birdsong memory
Nature Review s Neuroscience 7, 347-357 (2010)
[2] Dittrich, F.; Feng, Y .; Metzdorf, R.; Gahr, M.
Estrogen-inducible, sex-specific expression of brain-derived neurotrophic factor mRNA in a forebrain song
control nucleus of the juvenile zebra finch
Proceedings of the National Academy of Sciences USA 96, 8241-8246 (1999)
[3] Dittrich, F.; Ter Maat, A.; Jansen, R. F.; Pieneman, A.; Hertel, M.; Frankl-Vilches, C.; Gahr, M.
Maximized song learning of juvenile male zebra finches following BDNF expression in the HVC
European Journal of Neuroscience 38, 3338-3344 (2013)
[4] Hartog, T. E.; Dittrich, F.; Pieneman, A. W.; Jansen, R. F.; Frankl-Vilches, C.; Lessmann, V.; Lilliehook,
C.; Goldman, S. A.; Gahr, M.
Brain-derived neurotrophic factor signaling in the HVC is required for testosterone-induced song of
female canaries
Journal of Neuoscience 29, 15511-15519 (2009)
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[5] Dittrich, F.;, Ramenda, C.; Grillitsch, D.; Frankl-Vilches, C.; Ko, M.-C.; Hertel, M.; Goymann, W.; ter
Maat, A.; Gahr, M.
Regulatory mechanisms of testosterone-stimulated song in the sensorimotor nucleus HVC of female
songbirds
BMC Neuroscience 15, 128 (2014)
[6] Frankl-Vilches, C.; Kuhl, H.; Werber, M.; Klages, S.; Kerick, M.; Bakker, A.; de Oliveira, E.H.; Reusch,
C.; Capuano, F.; Vowinckel, J.; Leitner, S.; Ralser, M.; Timmermann, B.; Gahr, M.
Using the canary genome to decipher the evolution of hormone-sensitive gene regulation in seasonal
singing birds
Genome Biology 16, 19 (2015)
[7] Gahr, M.
How hormone-sensitive are bird songs and what are the underlying mechanisms
Acta Acustica united w ith Acustica 100, 705-718 (2014)
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