Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проект направлен на выяснение молекулярно-генетических механизмов быстрых комплексных преобразований животных, произошедших в процессе исторической доместикации. Коренное изменение поведения домашних животных по отношению к человеку по сравнению с их дикими сородичами произошло за короткий в эволюционных масштабах срок (несколько тысяч лет) и сопровождалось морфофизиологическими изменениями (появлением аномалий лицевого скелета и конечностей, висячих ушей, закрученного хвоста, пегостей, изменением сроков размножения и т.д.) (Price, 2002). В данной работе используется уникальная экспериментальная модель доместикации – серебристо-чёрные лисицы, полученные в ИЦиГ СО РАН путём многолетнего отбора на эмоционально-позитивные реакции на человека (Трут и др., 2004; Trut et al., 2009). На данной модели продемонстрирована такая же трансформация поведения, как и при исторической доместикации, а также появление в популяции морфофизиологических изменений, аналогичных таковым у домашних животных. Отбором лисиц в противоположном направлении получена популяция с генетически усиленной агрессией к человеку. Таким образом, модель представляет собой популяцию с полным отсутствием агрессии и, более того, дружелюбным отношением к человеку, и популяцию с усиленной агрессией, а также контрольную популяцию, что позволяет моделировать ранние этапы доместикации, связанные именно с изменением поведения животных, а не с их хозяйственно-полезными признаками (Trut et al., 2009). Задачей данной работы является выявление механизмов регуляции экспрессии генов в дорзальном гиппокампе доместицируемых («ручных») и недоместицируемых лисиц, структуре мозга, играющей ключевую роль в социальном поведении и стресс-реактивности, а также в когнитивных способностях и обучении (Weaver et al., 2004; Doherty et al., 2016; Pollano et al., 2016). Решение этой задачи может дать не только новые данные о молекулярно-генетических механизмах экспериментальной доместикации, но поможет понять механизмы трансформации всей биологической организации домашних животных, которая может быть связана с каскадным характером изменений экспрессии генов и их широкими плейотропными эффектами. Для эксперимента были отобраны лисицы с наибольшей экспрессией ручного или агрессивного поведения. Из образцов дорзального гиппокампа была выделена высококачественная РНК и получены кДНК-библиотеки, которые были секвенированы на платформе Illumina HiSeq из расчёта прямого чтения 75 нт, не менее 40 млн. ридов (более 400 млн. ридов для 8-ми библиотек). Фильтрованные риды были картированны на геном собаки с помощью программы STAR и обработаны линейкой программ Cufflinks. Метод неметрического многомерного шкалирования (Non-metric MultiDimensional Scaling) выделил кластеры, которые состоят только из образцов ручных лисиц и только из образцов агрессивных. Поиск дифференциально экспрессирующихся генов был выполнен с помощью программы Сuffdiff и выявил 496 генов. Анализ полученных данных с помощью базы данных KEGG показал, что значительное количество выявленных дифференциально экспрессирующихся генов относится к функциональным группам, связанным с метаболическими путями и клеточными процессами. Вероятно, это объясняется адаптационным значением этих генов, которые быстро реагируют на любые изменения среды обитания и процессы дивергенции видов, а не их ролью в процессах доместикации. В то же время, были выявлены функциональные группы генов, связанные с нервной системой: «кальциевый сигнальный путь» (Calcium signaling pathway), «длительная потенциация» (Long-term potentiation), «глутаматергический синапc» (Glutamatergic synapse), «ГАМКергический синапс» (GABAergic synapse), которые связаны с регуляцией различных форм поведения, таких как тревожность, страх, социальное распознавание, запоминание и обучение, а также с нейрональной пластичностью и стрессом. Кроме того, была выделена функциональная группа «аксональное наведение» (Axon guidance), ассоциированная с пролиферацией нейронов и ростом аксонов. Вероятно, выделение этой группы связано с повышенным нейрогенезом во взрослом гиппокампе у менее агрессивных лисиц, как было ранее показано (Huang et al., 2015). Таким образом, обнаружено изменение экспрессии генов ключевых нейрогуморальных систем мозга, которые, вероятно, играют ведущую роль в изменении поведения лисиц при отборе на доместикацию. Анализ полученных данных также показал изменение экспрессии генов эндокринной системы, а именно «эстрогенового сигнального пути» (Estrogen signaling pathway) и функциональных групп генов, связанных с тиреоидными гормонами (Thyroid hormones). Эти изменения могут быть связаны со снижением взаимосвязи между репродуктивным ритмом и средовым фотопериодом при экспериментальной доместикации лисиц, что более ярко выражено практически у всех домашних животных. • Doherty TS, Forster A., Roth TL. Global and gene-specific DNA methylation alterations in the adolescent amygdala and hippocampus in an animal model of caregiver maltreatment // Behav Brain Res. 2016. 298(Pt A):55-61. doi: 10.1016/j.bbr.2015.05.028. • Huang S., Slomianka L., Farmer A.J., Kharlamova A.V., Gulevich R.G., Herbeck Y.E., Trut L.N., Wolfer D.P., Amrein I. Selection for tameness, a key behavioral trait of domestication, increases adult hippocampal neurogenesis in foxes.// Hippocampus. 2015 Aug;25(8):963-75. doi: 10.1002/hipo.22420. • Pollano A, Zalosnik MI, Durando PE, Suárez MM. Differential effects of tianeptine on the dorsal hippocampal volume of rats submitted to maternal separation followed by chronic unpredictable stress in adulthood // Stress. 2016. 19(6): 599-608. • Price, E.O. Animal Domestication and Behaviour. CAB International. 2002. Wallingford. UK. • Trut L., Oskina I., Kharlamova A. Animal evolution during domestication: the domesticated fox as a model // BioEssays. 2009. 31: 349–360. • Weaver I. C., Cervoni N., Champagne F. A., D'Alessio A. C., Sharma S., Seckl J. R., ... Meaney M. J. Epigenetic programming by maternal behavior // Nature Neurosci. 2004. 7(8): 847-854. • Трут Л.Н., Плюснина И.З., Оськина И.Н. Эксперимент по доместикации лисиц и дискуссионныевопросы эволюции собак // Генетика. 2004. Т. 40. № 6. С. 794–807.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проект «Комплексный анализ экспрессии генов в мозге ручных лисиц: исследование на уникальной селекционной модели доместикации» ведётся учёными из новосибирского Института цитологии и генетики СО РАН. Уже два года в нём принимают участие генетики, физиологи, молекулярные биологи, специалисты по поведению животных и биоинформатики. Исследование посвящено доместикации. Как возникло дружелюбное поведение по отношению к человеку, которое никогда до этого не встречалось и не встречается в дикой природе? Как изменилась работа мозга дикого животного, ставшего домашним? Эти вопросы остаются в фокусе внимания специалистов со времён Чарльза Дарвина. Основная сложность изучения доместикации на современных домашних животных заключается в том, что они прошли долгую историю адаптации и отбора на хозяйственно-полезные признаки. Поэтому особенно ценно, что в Институте цитологии и генетики создана модель ранних этапов доместикации на серебристо-чёрной лисице. Это животные, которые были получены исключительно путём отбора по отношению к человеку. Уже много десятилетий их дружелюбное поведение передаётся по наследству – потомство появляется на свет уже ручным. Кроме того, в Институте существует популяция агрессивных лисиц. Подобно ручным, этих лисиц также отбирали поколение за поколением, но на агрессивное поведение по отношению к человеку. Считается, что начальным этапом доместикации явилась неагрессивная реакция и отсутствие стресса у животных при появлении человека. Поэтому участники проекта исследуют изменения в работе именно тех структур мозга, которые связаны с регуляцией стресса, а не с изменением высшей нервной деятельности, которое происходило на более поздних этапах доместикации. Ключевой структурой в регуляции стресса является гиппокамп. Для того, чтобы понять, как изменилась его работа при доместикации, провели серию экспериментов на лисицах. Популяции агрессивных и доместицируемых лисиц протестировали, чтобы выявить наиболее ярких представителей, от которых был взят биоматериал. Его дальнейшая обработка потребовала множество этапов от молекулярного до биоинформатического. Было выявлено 500 генов, чья экспрессия отличается в гиппокампе ручных и агрессивных животных. Из них несколько десятков образуют 10 функциональных групп генов, устойчиво различающиеся у доместицируемых и агрессивных лисиц. Скорее всего, они играют основную роль в формировании различий в работе гиппокампа. Эти группы связаны с формированием поведения, стрессом и нейрогенезом у взрослых особей. Указанные процессы образуют треугольник, вершины которого влияют друг на друга. Так, снижение стресса понижает агрессию и повышает нейрогенез. Повышенный нейрогенез уменьшает негативные эффекты стресса. Наконец, социальное поведение снижает стресс и повышает нейрогенез. Можно предположить, что выявленные функциональные группы генов являются молекулярной основой этих взаимодействий. Важным и общепризнанным эффектом доместикации являются появление у животных признаков, напрямую не связанных с поведением и объединяемых в так называемый «доместикационный синдром». Это морфологические изменения костей черепа, появление белых пятен во лбу – знаменитых «звезд», нарушение сезонности размножения и т.д. Долгое время считалось, что они являются своего рода маркерами, следствием отбора на дружелюбное поведение по отношению к человеку. Исследования, проведённые в рамках проекта, дали неожиданный результат – перечисленные признаки, характерные строго для доместицированных животных, стали появляться и в агрессивной популяции лисиц. По-видимому, это связано с дестабилизацией регуляторных систем организма, подобной той, что происходит при доместикации и приводит к появлению различных форм. Теперь становится понятно, что причина не в отборе на дружелюбное поведение, но в отборе на изменение социального поведения в любую сторону, в том числе и в сторону агрессии. В частности, было установлено, что ген TSHR, играющий важную роль в сезонности размножения, и даже названный «геном доместикации», так же изменяет свою экспрессию у агрессивных лисиц, как и у доместицируемых, по сравнению с неселекционированными животными. По-видимому, новые данные могут привести к переосмысливанию идеи «доместикационного синдрома». Важный вопрос, стоящий пред исследователями, каковы молекулярно-генетические механизмы обнаруженных изменений экспрессии генов в гиппокампе? Один из важных факторов, чьё значение в регуляции стресса и поведения растёт с каждым годом – это деградация матричной РНК под действием микроРНК. Однако проведённые исследования показали, что этот важный механизм регуляции экспрессии генов, по-видимому, не играет существенной роли в возникновении различий в гиппокампе доместицированных и агрессивных лисиц. Поэтому дальнейшие исследования будут направлены на поиск химических модификаций (метилирования) ДНК в генах с экспрессией, отличающейся у доместицированных и агрессивных лисиц. По данным других исследователей, метилирование ДНК играет существенную роль как в регуляции поведения, так и стресса, а экспрессия изученных в рамках проекта генов может регулироваться путём этих химических модификаций генома.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проект «Комплексный анализ экспрессии генов в мозге ручных лисиц: исследование на уникальной селекционной модели доместикации» был выполнен учёными из новосибирского Института цитологии и генетики СО РАН. В течение трех лет в нём принимали участие генетики, физиологи, молекулярные биологи, специалисты по поведению животных и биоинформатики. Исследование посвящено доместикации. Как возникло дружелюбное поведение по отношению к человеку, которое никогда до этого не встречалось и не встречается в дикой природе? Как изменилась работа мозга дикого животного, ставшего домашним? Эти вопросы остаются в фокусе внимания специалистов со времён Чарльза Дарвина. Основная сложность изучения доместикации на современных домашних животных заключается в том, что они прошли долгую историю адаптации и отбора на хозяйственно-полезные признаки. Поэтому особенно ценно, что в Институте цитологии и генетики создана модель ранних этапов доместикации на серебристо-чёрной лисице. Это животные, которые были получены исключительно путём отбора по отношению к человеку. Уже много десятилетий их дружелюбное поведение передаётся по наследству – потомство появляется на свет уже ручным. Кроме того, в Институте существует популяция агрессивных лисиц. Подобно ручным, этих лисиц также отбирали поколение за поколением, но на агрессивное поведение по отношению к человеку. Считается, что на начальном этапе доместикации исчезла агрессивная реакция и животные перестали испытывать стресс при появлении человека. Вместо этого они, вероятно, проявляли эмоционально положительные реакции: подходили к человеку, возможно, виляли хвостом и даже прикасались к нему. Поэтому участники проекта исследовали в основном те структуры мозга, которые связаны с ответом на стресс, обучением, запоминанием живых и неживых объектов. Одной из ключевых структур в этих процессах является гиппокамп. Для того, чтобы понять, как изменилась его работа при доместикации, провели серию экспериментов на лисицах. Популяции агрессивных и доместицируемых лисиц протестировали, чтобы выявить наиболее ярких представителей, от которых был взят биоматериал. Его дальнейшая обработка потребовала множество этапов, от молекулярного до биоинформатического. Используя секвенированный геном лисицы, ученые выявили 52 гена, чья экспрессия отличается в гиппокампе ручных и агрессивных животных. Кроме того, в геноме обнаружили около 100 участков, которые подвергались давлению отбора по поведению («селективных регионов»). 4 гена из вышеупомянутых 52-х оказались расположены на этих участках. Наиболее интересным из них является ген CYP26B1, участвующий в регуляции нейрогенеза и процессов обучения и памяти через деградацию политрансретиноевой кислоты (птРК), производной витамина А. Кроме CYP26B1 в гиппокампе обнаружено 2 гена, отвечающих за синтез птРК. Их экспрессия отличается у ручных и агрессивных животных, но они не подвергались непосредственно давлению отбора. Зато ещё 4 гена из сети метаболизма птРК, чья экспрессия в гиппокампе почти отсутствует, были обнаружены в «селективных регионах». Вероятно, они играют роль в клеточной дифференцировке других структур мозга, или задействованы в другое время развития организма. Чтобы понять механизмы изменений экспрессии генов в мозге ручных и агрессивных лисиц, учёные решили исследовать профиль метилирования генома в гиппокампе. Было обнаружено 40 дифференциально метилированных островков и около 1,5 тыс. отдельных дифференциально метилированных локусов. Таким образом, отбор по поведению экспериментальных лисиц, по-видимому, затронул эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов. В частности, в регуляторной области гена CYP26B1 обнаружен локус, чей уровень метилирования в гиппокампе ручных и агрессивных различается более чем на 85%. На этот участок у ручных лисиц может садиться фактор транскрипции, который будет способствовать синтезу мРНК. Проделанная работа позволяет констатировать, что в гиппокампе ручных лисиц наблюдается выраженное усиление нейрогенеза по сравнению с агрессивными животными. В качестве возможных механизмов этого эффекта выявлены гены в сети метаболизма птРК и обнаружено дифференциальное метилирование ключевого гена – гена CYP26B1, который, вероятно, затрагивал отбор по поведению. По-видимому, одна из причин различия поведения у ручных и агрессивных лисиц кроется в изменении метаболизма птРК.