Heritable epigenetic responses to environmental challenges Effects on behaviour, gene expression and DNA-methylation in the chicken

Phenotypic variation within populations is a crucial factor in evolution and is mainly thought to be driven by heritable changes in the base sequence of DNA. Among our domesticated species we find some of the most variable species on earth today. This variety of breeds has appeared during a relatively short evolutionary time, and so far genetic studies have been unable to explain but a small portion of this variation, which indicates more novel mechanisms of inheritance and phenotypic plasticity. The aim of this study was therefore to investigate some of these alternative routes in the chicken, especially focusing on transgenerational effects of environmental challenges on behaviour and gene expression in relation to domestication. In two experiments a chronically unpredictable environment induced phenotypic changes in the parents that were mirrored in the unexposed offspring raised without parental contact. This transmission was especially clear in domesticated birds. A third experiment showed that repeated stress events very early in life could change the developmental program making the birds more resistant to stress later in life. Here, the phenotypic changes were also mirrored in the unexposed offspring and associated with inheritance of gene expression. Epigenetic factors, such as DNA-methylation, could play an important role in the mechanism of these transgenerational effects. A fourth experiment showed that wild types and domesticated chickens differed substantially in their patterns of DNAmethylation, where the domesticated breed had increased amount of promoter DNAmethylation. In line with the previous experiments, this breed also showed increased transmission of methylation marks to their offspring. Conclusively, parental exposure of environmental challenges that introduce changes in behaviour, physiology and gene expression can under both chronic and temporal conditions be heritably programmed in the parent and transmitted to the unexposed offspring. Since heritable epigenetic variation between wild type and domesticated chickens is stable and numerous, it is possible that selection for favourable epigenomes could add another level to the evolutionary processes and therefore might explain some of the rapid changes in the history of the domesticated chicken. Populärvetenskaplig sammanfattning Tamhönan är idag världens vanligaste fågel tack vare vår utbredda kött och ägg konsumtion. Som andra domesticerade husdjur har den förändrats markant sedan den skildes från sitt ursprung, den röda djungelhönan, för ungefär 8000 år sedan. Den mest slående förändringen, som den också delar med andra husdjur, är en ökad variation bland annat på kroppsstorlek, färgdräkt och inte minst beteende. Idag anses faktiskt många av våra husdjur vara några av de absolut mest variationsrika arterna i världen; en variation som uppkommit på mycket kort tid ur ett evolutionärt perspektiv. Denna hastiga förändring kan betyda att det finns andra typer av nedärvningsmekanismer som inte är beroende av variation i själva DNA:t. I ett initialt försök att undersöka detta genomfördes därför fyra experiment. I de två första utsattes höns för en kronisk mild stress i form av en oförutsägbar hemmiljö vilket tvingade dem att förändra sina levnadsvanor och helt enkelt anpassa sig. Båda studierna visade att de beteende och genregulatoriska förändringar som skett på grund av miljön reflekterades i avkomman som aldrig själva utsatts för stressen. Intressant nog var denna miljöinducerade nedärvning tydligast hos tamhönan i jämförelse med den röda djungelhönan, vilket tyder på att själva domesticeringen kan spela en viktig roll. Det tredje experimentet undersökte en liknande generationsöverföring, men i stället för en kronisk mild stress utsattes fåglarna för korta återkommande påfrestningar under en begränsad tid väldigt tidigt i livet. Inte nog med att detta ledde till ändrad genreglering och beteendeförändring, stressade djur visade större tolerans mot stress senare i livet, vilket i sin tur överfördes till den naiva avkomman. I det fjärde och sista experimentet togs det första steget att undersöka DNA-metyleringars betydelse för nedärvning hos tamoch djungelhönan. Denna typ av s.k. epigenetisk markör är viktig för kontrollen av genernas användning i cellen och har i andra organismer visat sig ha stor betydelse för miljöinducerad nedärvning. Inte nog med att de båda hönsraserna tydligt skiljde sig i det metylerade DNA:t, tamhönan visade sig också ha större förmåga att överföra metyleringarna till sin avkomma, mycket i linje med vad som sågs i de tidigare studierna. Sammanfattningsvis har de fyra experimenten tydligt visat att det finns andra nedärvningsmekanismer hos våra domesticerade höns än vad man tidigare trott, vilket kan ha stor betydelse för såväl djurs välfärd, avel och produktion.