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Integrating behavior, hormones and genes associated with the primate HPA-axis

dc.contributor.advisorOstner, Julia Prof. Dr.
dc.contributor.authorGutleb, Daria Raffaella
dc.date.accessioned2019-04-17T09:52:37Z
dc.date.available2019-12-02T23:50:03Z
dc.date.issued2019-04-17
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E60E-8
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-7382
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-7382
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-7382
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc570de
dc.titleIntegrating behavior, hormones and genes associated with the primate HPA-axisde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeOstner, Julia Prof. Dr.
dc.date.examination2018-12-03
dc.description.abstractgerDas Zusammenspiel von HPA-Achsen-assoziierten Verhalten, Hormonen und Genen bei nicht-menschlichen Primaten: Fragen nach den Ursachen interindividueller Variabilität beschäftigten häufig die in der Zoologie und insbesondere der Primatologie forschenden WissenschaftlerInnen. Eines der zentralen Forschungsgebiete in wildlebenden Primaten ist die Untersuchung von Phänotypen in Assoziation mit der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse (HPA-Achse). Diese Achse stellt einen physiologischen Signalweg dar, der in Reaktion auf einen Stressor aktiviert wird. In der Forschung an Menschen konnte gezeigt werden, dass bis zu 50 % der individuellen Variabilität des Endprodukts der HPA-Achse (Cortisol), der Aggression und des sozialen Verhaltens durch genetische Faktoren erklärt werden können. Im Zusammenhang mit menschlichem Aggressionsverhalten ist Val158Met, ein nicht-synonymer Polymorphismus im Catechol-O-Methyltransferase-Gen (COMT), besonders gründlich untersucht worden. Die Aminosäuresubstitution verändert die Enzymaktivität des Proteins, das wesentlich zum Abbau von Dopamin im präfrontalen Kortex beiträgt. Bisher wurde angenommen, dass dieser Polymorphismus nur in Menschen vorkommt. Bezüglich der Verbindung zwischen Sozialität und HPA-Achsen-Aktivität, konnten bei Menschen die mildernden Effekte von sozialer Unterstützung auf HPA-Achsen-Aktivität, die sogenannte soziale Abpufferung („social buffering“), mit individueller genetischer Variation in Verbindung gebracht werden. Die allgemeine Zielsetzung dieser Dissertation war es, das Verständnis der Verhaltensgenetik der HPA-Achse von Primaten in ihrem natürlichen Lebensraum zu erweitern. Ein Grund dafür, dass Forschung in diesem Gebiet bisher weitgehend vernachlässigt wurde, ist der Mangel an geeigneten genetischen Hochdurchsatzverfahren, die für DNA-Proben mit geringer Qualität anwendbar sind. Weitere bisherige Schwachpunkte finden sich unter anderem darin, dass vorhergehende Studien sich auf einige bzw. einige wenige Genorte beschränkten, anstatt mehrere HPA-Achsen-relevante Genorte parallel zu untersuchen, dass sich Studien auf Unterschiede in den generellen Verhaltensmustern zwischen Arten fokussierten, anstatt direkt beobachtetes Verhalten von Individuen zu analysieren, sowie, dass nur wenige Individuen in unterschiedlichen Primatenarten untersucht wurden, um auf die Inexistenz von Polymorphismen zu schließen, wie in dem Fall von COMT Val158Met. Spezifischer, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Frage wie genetische Variationen mit den folgenden Aspekten der HPA-Achse in Verbindung stehen: Aggressionsrate (Studie 2), immunreaktiver Cortisolspiegel im Urin, risikoreiches Verhalten, i.e. die Rate mit der Aggression initiiert wird, Stärke und Aufrechterhaltung von Sozialbeziehungen, sowie soziale Abpufferung (Studie 3). Um diese Studien durchführen zu können, wurde zunächst ein Multilocus-Next-Generation-Sequenzierungs-Panel für DNA-Proben mit geringer Qualität entwickelt (Studie 1). Die Wahl der Spezies zur Untersuchung dieser Fragen fiel auf den Assam-Makaken (Macaca assamensis), für den in früheren Studien Variationen in Cortisollevel und Aggression, sowie die kausalen Auswirkungen von Sozialbeziehungen bereits unter natürlichem Selektionsdruck gezeigt wurden. In dieser Spezies kann anhand der Stärke männlicher Sozialbeziehungen die Koalitionsbildung sowie die Rekrutierung von Unterstützern bei Auseinandersetzungen, welche letztlich Einfluss auf sozialen Rang und Reproduktionserfolg haben, vorhergesagt werden. Die für diese Dissertation gesammelten Daten stammen von adulten männlichen und weiblichen Assam-Makaken aus vier habituierten Gruppen im Phu Khieo Wildlife Sanctuary in Thailand. Die Datensammlung war rein nicht-invasiv und involvierte standardisierte Verhaltensbeobachtungen sowie das Sammeln von Kotproben für DNA-Analysen und Urinproben zur Quantifizierung von immureaktivem Cortisol in Urin. Im Rahmen der Dissertation wurden ein Multilocus-Next-Generation-Sequenzierungs-Panel (46 Zielregionen in 21 HPA-Achsen-Genen, inklusive COMT Val158Met) entwickelt, alle adulten Tiere der vier Gruppen (37 Männchen, 39 Weibchen) genotypisiert, Verhaltensdaten gesammelt (5756 Beobachtungsstunden), sowie 366 Urinproben von 23 Männchen für die Quantifizierung von immunreaktivem Cortisol mit Enzymassays gesammelt. Die Ergebnisse der ersten Studie sind (i) die Zusammenstellung einer Liste von Zielregionen in Genen, die mit der HPA-Achse assoziiert sind, (ii) die Entwicklung eines Hochdurchsatz-Genotypisierungs-Panels für die Untersuchung von HPA-Achsen-assoziierten Phänotypen, (iii) der Nachweis, dass das entwickelte Panel auch für DNA-Proben mit geringer Qualität, wie zum Beispiel Kotproben, anwendbar ist, sowie (iv) das Aufzeigen von vermutlich funktionalen Polymorphismen in HPA-Achsen-Genen in einer wildlebenden Primatenpopulation. Die Anwendung des in der ersten Studie entwickelten Genotypisierungs-Panels zeigte, dass der COMT Val158Met Polymorphismus in Assam-Makaken existiert. Die Resultate der zweiten Studie sind, (i) dass der in Menschen intensiv untersuchte COMT Val158Met Polymorphismus auch in einer nicht-menschlichen Primatenspezies mit einer ähnlichen Genotypfrequenz (14 Met/Met, 40 Val/Met, 22 Val/Val) vorkommt, (ii) dass die Aggressionsrate in Val/Val-Individuen mit sozialem Rang zunahm, in Individuen mit anderen Genotypen jedoch abnahm und, (iii) dass in Val/Val-Individuen beim Wechsel von niedrigeren auf höhere Dominanzpositionen die Aggressionsrate abnahm, wobei diese bei Met/Met-Individuen zunahm. Die dritte Studie fokussierte sich auf 15 nicht-synonyme Polymorphismen, anhand derer ein genetischer Risikowert als Proportion von Varianten die zu einem Aminosäureaustausch führen, kalkuliert wurde. Für die männlichen Makaken ergaben sich Assoziationen von einem zunehmenden genetischen Risikowert mit (i) zunehmenden immunreaktiven Cortisolspiegeln im Urin, (ii) abnehmendem risikoreichen Verhalten, (iii) einem abnehmendem sozialen Abpufferungseffekt, (iv) einer Tendenz für stärkere Sozialbeziehungen, sowie (v) zunehmende Aufrechterhaltung der räumlichen Nähe zu anderen Männchen mit einer starken Sozialbeziehung. Diese Ergebnisse tragen zum Verständnis der Auswirkungen von individuellen Variationen in HPA-Achsen-Genen auf phänotypische Ausprägungen bei. Studie 1 stellte die für die Studien 2 und 3 notwendigen Methoden zur Verfügung und soll Feldbiologen dazu motivieren zukünftig häufiger Multilocus-Genotypisierung in verhaltensökologischen Studien an freilebenden Populationen in Betracht zu ziehen. Da nun gezeigt werden konnte, dass COMT Val158Met keine einzigartige Besonderheit der Menschen ist, sondern auch in einer nicht-menschlichen Primatenart vorkommt und mit ähnlichen Verhaltensphänotypen assoziiert ist, kann in Folgestudien an verschiedenen Taxa dem Vorkommen und dem evolutionären Ursprung dieses Polymorphismus, sowie seinen Auswirkungen auf individuelle Variation nachgegangen werden. Die Untersuchung zur sozialen Abpufferung zeigte einen signifikanten Interaktionseffekt von der Stärke von Sozialbeziehungen und dem genetischen Risikowert auf die HPA-Achsen-Aktivität. Die Assoziation zwischen starken Sozialbeziehungen und niedrigen Cortisolwerten schien mit steigendem genetischen Risikowert schwächer zu werden und schließlich zu verschwinden. Das deutet darauf hin, dass der soziale Abpufferungseffekt in Individuen mit geringerem genetischen Risikowert in Kraft tritt, nicht aber in Individuen mit höherem genetischen Risikowert. Diese Ergebnisse unterstreichen die Relevanz, dass zukünftige Studien den Genotyp als moderierenden Faktor in Studien zur sozialen Abpufferung in verschiedenen Arten heranziehen. Um jedoch fundiertere Rückschlüsse über den Einfluss von Genotyp auf HPA-Achsen-assoziierte Phänotypen in Assam-Makaken ziehen zu können, sind weitere Analysen, in denen zusätzlich auf die Verwandtschaftsverhältnisse untersucht wird, notwendig, da diese Studie potentiell verwandte Individuen beinhaltete. Die Forschungsresultate, welche sich im Rahmen dieser Dissertation ergaben, stellen die erste umfassende Analyse von Verhaltensgenetik in Verbindung mit der HPA-Achse in Assam-Makaken dar. Die Kombination von Methoden aus der Verhaltungsforschung und der Molekularbiologie ermöglichte es in dieser Dissertation zu zeigen, dass Genetik eine signifikante Quelle individueller Variabilität in einer Reihe von HPA-Achsen-assoziierten Phänotypen bei Primaten ist. Dadurch konnten neue Erkenntnisse zu HPA-Achsen-Aktivität, Aggressionsraten, risikoreichem Verhalten, Sozialbeziehungen, sowie sozialer Abpufferung gewonnen werden. Genetische Variationen, die zu Variabilität in der HPA-Achsen-Aktivität in Makaken beitragen, könnten es Individuen ermöglichen sich unterschiedlich an soziale Umstände und Stressoren anzupassen. Über einen evolutionären Zeitrahmen hinweg könnte die ausgleichende Selektion verschiedener Merkmale dazu führen, dass Polymorphismen, die Individuen für unterschiedliche Phänotypen prädestinieren, erhalten bleiben. Über den unmittelbaren Rahmen der Dissertation hinaus, unterstützt diese Arbeit die Weiterentwicklung von nicht-invasiven Multilocus-Genotypisierungs-Methoden und die Anerkennung von wildlebenden Tierpopulationen in der Forschung zur Verhaltensgenetik. Durch die Demonstration, dass inhärente Faktoren zu individuellen Mustern und sozialen Mechanismen in freilebenden Tieren beitragen, erweitert diese Dissertation das klassische Spektrum der Verhaltensökologie und besonders der Primatologie. Primaten stellen wichtige Tiermodelle dar in denen individuelle Variabilität unter natürlichen Bedingungen standardisiert erhoben werden kann. Daher kann verhaltensgenetische Forschung an wilden Primaten auch dazu beitragen die bisher wenig verstandenen Ergebnisse bei Menschen besser zu verstehen. Eine engere Einbindung von Genetik in der primatologischen Feldforschung hat großes Potential, um bei der Aufklärung von gegenwärtig zwiespältigen Befunden in der klassischen Primatologie mitzuwirken.de
dc.description.abstractengFor zoologists, and especially primatologists, it has been a longstanding aim to decipher the causes of individual variability. Phenotypes associated with the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA)-axis, a central physiological pathway activated in response to stress, have been in the focus of research on wild primates. Scientists working on humans have gathered convincing evidence for a major role of genetics in explaining individual variation in HPA-axis-related phenotypes. Up to 50 % and more of the variation in levels of the end product of the HPA-axis (cortisol), aggression and social behavior can be attributed to the underlying genotype. One non-synonymous substitution in a catecholamine degrader has been particularly well studied with regard to human aggression: Val158Met in the catechol-o-methyltransferase gene (COMT). Causing different activities of the enzyme that is substantially involved in catabolizing dopamine in the prefrontal cortex, the Val158Met polymorphism has been repeatedly associated with aggressive behavior and has been assumed to be unique to humans probably due to species-specific cognitive abilities. Concerning the link between sociality and HPA-axis activity, first evidence from human literature indicates that the attenuating effect of social bonds on HPA-axis activity, a phenomenon called social buffering, is partly moderated by genetic variation. The overall aim of this thesis was to promote and shed more light on the behavioral genetics of the primate HPA-axis under natural conditions. Studies linking genotype data to behavioral patterns in the wild are generally scarce and progress in this field has been hampered by a lack of convenient genetic high-throughput methods applicable to low-quality DNA samples. Further shortcomings concern that studies on non-human primates investigated only one or a few loci instead of screening several HPA-related target regions, broad-scale interspecific contrasts in behavioral patterns instead of actual observed individual behaviors and only one or two individuals of different primate species to conclude the absence of a polymorphism – as in the case of COMT Val158Met. In this thesis, I specifically addressed how genetic variation contributes to a better understanding of the following aspects of the primate HPA-axis: aggression rates (study 2), immunoreactive urinary cortisol levels, risk-taking, i.e. rate of initiating aggression, social bond strength, social bond maintenance and the social buffering effect (study 3). In order to carry out these behavioral genetic association studies, I firstly designed a multi-locus next-generation sequencing panel including 46 target regions in 21 HPA-axis genes applicable to low-quality DNA samples (study 1). I chose wild Assamese macaques (Macaca assamensis) as a study species, in which variation in cortisol levels and aggression as well as causal effects of social bonds have been previously demonstrated under natural selection pressures. In this species, the strength of male bonds predicts coalition formation and recruitment during fights, which in turn predict future social dominance relating to reproductive success. Data for this thesis were collected from adult male and female Assamese macaques living in four habituated groups in Phu Khieo Wildlife Sanctuary, Thailand. The non-invasive data collection covered standardized behavioral observations as well as the collection of fecal samples for DNA analyses and urine samples to quantify immunoreactive cortisol. Specifically, I designed a multi-locus sequencing panel (46 target regions in 21 genes, including COMT Val158Met), genotyped all adults from four study groups (37 males, 39 females), collected focal animal behavioral data (5756 focal hours) and 366 urine samples from 23 males for quantification of immunoreactive cortisol via enzyme immunoassays. The results of study 1 are (i) the compilation of a list of presumably functional target regions in genes that are involved in the HPA-axis, (ii) the design of a high-throughput genotyping panel useful when investigating the factors contributing to HPA-axis-related phenotypes, (iii) the demonstration that the panel is applicable to low-quality DNA samples such as feces, which is often the only available sample material from wild animal populations, and (iv) the demonstration that polymorphisms at purportedly functional HPA-axis loci exist in a natural primate population. By targeting 46 target regions in 21 genes 159 single nucleotide polymorphisms were detected. Applying the genotyping panel designed in study 1, I identified the COMT Val158Met polymorphism and associated it with aggression rates of male and female macaques in study 2. The results are that (i) the widely studied human COMT Val158Met polymorphism occurs in a non-human primate species with similar genotype frequencies (14 Met/Met, 40 Val/Met, 22 Val/Val), (ii) macaques’ aggression rates increased with dominance rank in Val/Val individuals, but decreased in individuals carrying other genotypes, and (iii) when changing from a lower to a higher dominance rank position, Val/Val individuals decreased, whereas Met/Met individuals increased their aggression rate. In study 3, I focused on 15 non-synonymous polymorphisms detected among the 159 single nucleotide polymorphisms and calculated a genetic risk score as the proportion of missense variants an individual carries. In the investigated males an increasing genetic risk score was associated with (i) increasing levels of immunoreactive urinary cortisol, (ii) decreasing risk-taking behavior, (iii) a decreasing social buffering effect, (iv) a trend to have stronger social bonds, and (v) an increasing maintenance of close proximity with strong partners. These results contribute to our understanding of phenotypic consequences of individual variation in HPA-axis genotypes. Study 1 served as the basic methodology necessary to conduct study 2 and 3 and shall motivate field biologists to include multi-locus genotype data in future studies on wild, non-model populations more frequently. As COMT Val158Met is not unique to humans and yields similar behavioral phenotypes in another primate species, follow-up studies on this polymorphism can be conducted in several species to investigate the distribution of this polymorphism among taxa and help to decipher its evolutionary roots and contribution to individual variation. The investigation of the social buffering hypothesis revealed a significant interaction effect between social bond strength and genetic risk on HPA-axis activity. The association between strong social bonds and low cortisol levels seemed to diminish when moving from low to high genetic risk, indicating that social buffering is in effect in individuals at the lower, but not the higher end of genetic risk. These results depict that future studies considering genotype as a mediator of social buffering in a wide range of animal taxa are essential. However, as the study included potential relatives, further analyses including relatedness data are necessary to decipher whether the associations between HPA-axis genotypes and phenotypes remain in effect when controlling for kinship. In conclusion, I have performed the first comprehensive analysis of behavioral genetics associated with the HPA-axis in Assamese macaques. Combining ethological and molecular methods, my thesis suggests that genetics is a significant source of variability in a range of primate HPA-axis phenotypes. Thereby I was able to improve our knowledge of factors contributing to individual variation in HPA-axis activity, aggression rates, risk-taking, social bonding behavior and social buffering. Variation in the genetic constitution of macaques may allow individuals to adapt differently to social situations and stressors. Over evolutionary times the balance of different traits may preserve polymorphisms for different phenotypes in a population. This thesis aids the advancement of multi-locus methods and the appreciation of wild animal populations in behavioral genetics. It broadens the spectrum of behavioral ecology and primatology in particular by addressing how inherent factors contribute to individual patterns and social mechanisms of animals in the wild. The fact that polymorphisms in HPA-axis genes cumulatively explain individual variation should have strong implications for primatological studies which in large parts neglected the genetic contribution to the investigated phenotypes. Primates can serve as valuable animal models which help to shed light on some of the ambiguous findings from human behavioral genetics by providing the chance to investigate naturalistic phenotypes using comparable measures. The incorporation of genotype in field primatology contributes to the current discussions about ambiguous findings in classical primatology and might have the potential to resolve some of them in the future.de
dc.contributor.coRefereeRoos, Christian PD Dr.
dc.subject.engstressde
dc.subject.engaggressionde
dc.subject.engHPA-axisde
dc.subject.engnext-generation sequencingde
dc.subject.engbehavioral geneticsde
dc.subject.engsingle nucleotide polymorphismde
dc.subject.engcatechol-O-methyltransferasede
dc.subject.engCOMT Val158Metde
dc.subject.engdominance hierarchyde
dc.subject.enggene-environmentde
dc.subject.engMacaca assamensisde
dc.subject.engmacaquede
dc.subject.engnon-human primatede
dc.subject.engrs4680de
dc.subject.engsocial rankde
dc.subject.engVal157Metde
dc.subject.engsocial bufferingde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E60E-8-2
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät für Biologie und Psychologiede
dc.subject.gokfullBiologie (PPN619462639)de
dc.description.embargoed2019-12-02
dc.identifier.ppn1666650382


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