Chicken domestication: Effects of tameness on brain gene expression and DNA methylation

Domestication greatly increases phenotypic variation in a short time span, with selection for a single phenotype and a plethora of associated phenotypic changes as an outcome of the process. The domestication process influences the underlying genomic architecture of a species, and the success and speed of the process is likely influenced by it. The main aims of my thesis was to study how domestication affects the brain of chickens: specifically changes in morphology, gene expression, and DNA methylation. Differences in gene expression and DNA methylation between White Leghorn and Red Junglefowl chickens were mapped, and inheritance of these patterns were quantified, indicating a faithful transmission of breed-specific epigenetic markers. Selection on the behavioral trait fearfulness, generated high and low fearful lines of Red Junglefowl. Both the parental population and the fifth selected generation were used for the analyses in this thesis. One experiment studied morphological changes in the brain and other vital organs, and found that relative total brain size increased in high fearful birds, as a consequence of an increase in cerebral hemisphere size in high fearful birds and not in low fearful birds. Also, the relative heart, liver, spleen and testis size increased in high fearful birds, indicating correlated morphological changes with selection for fearfulness. Two additional experiments examined differential gene expression in the hypothalamus and the anterior cerebral hemisphere. The hypothalamus differed in expression of genes with reproductive and immunological functions, whilst the cerebral hemisphere differed in expression of genes related to social behaviors and neurological functions especially those upregulated in low fearful birds. These results indicate the occurrence of tissueand species-specific changes in gene expression as overlap with other domestication events were nearly nonexistent. A fourth experiment sought to associate the change in fear levels and gene expression differences with DNA methylation. Chromosomal regions with differential DNA methylation between high and low fearful birds were identified, and genes in these regions had annotated functions relevant to phenotypic differences between the selection lines. This thesis is the first to study the genetic alterations of domestication using the wild ancestor of an already domesticated species to repeat the domestication process selecting against fear of humans. The findings corroborate results from previous comparisons of wild and domestic animals, and further support the theory that rigorous selection for a behavioral trait can cause a cascade of genetic and epigenetic changes facilitating the domestication of a population. Populärvetenskaplig sammanfattning Domesticering, när en population djur anpassas till ett liv i fångenskap och nära kontakt med människor, är en process som under kort tid ger upphov till stora förändringar hos djuret under selektion, såsom skillnader i beteende, fysiologi, storlek, reproduktion och färg i päls och fjäderdräkt. Vi har här haft ett särskilt fokus på det röda djungelhönset, som är förfadern till alla våra domesticerade höns. Med sitt ursprung i Sydoch Sydostasien, där den även återfinns idag, började den röda djungelhönan domesticeras för drygt 8000 år sedan för att ge upphov till ett av vårt mest använda produktionsdjur för både kött och ägg. Att djungelhöns än idag finns kvar är till stor fördel då de kan användas för jämförelse med tamhöns och kvantifiera skillnader som uppkommit under domesticeringen. De grundläggande förutsättningarna för hur höns domesticerades är inte klarlagda, men utifrån de stora skillnaderna mellan röda djungelhöns och tamhöns måste de i ett tidigt skede ha selekterats för minskad rädsla för människor och den nya främmande miljön för att frodas och kunna reproducera sig. Med utgångspunkt från röda djungelhöns har vi under fem generation i två separata populationer selekterat för ökad eller minskad rädsla för människor, med målet att generera en rädd population höns och en orädd population som ska representera domesticerade röda djungelhöns. Selektionen har gett upphov till signifikanta skillnader i nivå av rädsla mellan de två populationerna, och har dessutom bidragit till andra skillnader så som att orädda höns är fysiskt större, lägger större ägg, är mer dominanta och aggressiva vid konkurrens om mat, och har mer välvårdad fjäderdräkt. I den här avhandlingen har först genetiska och epigenetiska skillnader mellan röda djungelhöns och White Leghorn, en hönsras framavlad för äggproduktion, studerats. Vi fann signifikant olika signaturer i mängden genuttryck för ett stort antal gener mellan de två raserna, och även skillnader i mängden DNA-metyleringar, en markör som kan reglera genuttryck. Teorin är att domesticering har gett upphov till många genetiska skillnader kopplade till de skillnader i bland annat beteende och fysiologi som noterats mellan raserna. Epigenetiska markörer kan ha påverkats av domesticeringsprocessen, men kan likväl ha varit ett hjälpmedel som drivit på domesticeringen och den mängd skillnader som uppstått ur ett evolutionärt sett kort tidsspann. I jämförelsen mellan rädda och orädda djungelhöns har vi i femte generationen sett skillnader i både total hjärnvikt och i specifika hjärndelar, till exempel är storhjärnan större hos rädda höns än orädda, en förändring som iakttagits hos många domesticerade djur där storhjärnan har minskat i volym. I både hypotalamus och främre storhjärnan fann vi signifikanta skillnader i genuttryck mellan rädda och orädda höns, med förändringar som tyder på en koppling till reproduktion och immunologi i hypotalamus, och socialt beteende och neurologiska faktorer i främre storhjärnan. Majoriteten skillnader i genuttryck mellan rädda och orädda höns överlappar inte med jämförelsen mellan röda djungelhöns och White Leghorn, och kan tyda på att selektionstrycket initialt påverkar gener som inte är aktiva i senare skeden av domesticeringsprocessen. Antalet DNA-metyleringar var inte större i orädda höns än rädda, trots tidigare sådana observationer mellan domesticerade och vilda höns, men de specifika regioner som skiljer rädda och orädda höns åt kan vara viktiga bidragande faktorer till de snabba förändringarna i selektionslinjerna. Tillsammans visar resultaten att selektion av höns baserat på rädsla för människor under några få generationer snabbt orsakar förändringar förenliga med tidigare studier av domesticeringsprocessen, och att förändringar av rädsla är kopplade till genuttryck och epigenetiska markörer. List of publications Paper I Nätt, D, Rubin, C. J, Wright, D, Johnsson, M, Bélteky, J, Andersson, L, Jensen, P. (2012). Heritable genome-wide variation of gene expression and promoter methylation between wild and domesticated chickens. BMC Genomics 13 (59).