Korrespondierender Autor

Dr. Falk Dittrich
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Evolutionsbiologie • Genetik • Neurobiologie • Physiologie • Verhaltensbiologie • Ökologie

Forschungsbericht (importiert) 2016 - Max-Planck-Institut für Ornithologie

Wie Geschlechtshormone den Vogelgesang regulieren

How sex hormones regulate birdsong

Autoren

Dittrich, Falk; Frankl-Vilches, Carolina; Ko, Meng-Ching; Diales da Rocha, Mariana; Leitner, Stefan; Gahr, Manfred

Abteilungen

Verhaltensneurobiologie

DOI

10.17617/1.2P

Artspezifische saisonale Gesangsveränderungen, die durch Geschlechtshormone verursacht werden, können auf Unterschieden in den Genexpressionsmustern beruhen, die im Gesangskontrollsystem induziert werden. Dabei basieren die Unterschiede der Geschlechtshormonwirkung zwischen Singvogelarten auf artspezifischen genomischen Regulationsmechanismen. Trotzdem modifizieren Geschlechtshormone die neuronalen Verschaltungen im Gehirn bei Singvögeln wie bei Säugetieren zum Teil durch ähnliche zelluläre Prozesse.

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. However, neuronal wiring of the songbird as well as mammalian brain is modified by sex hormones via to some extent comparable cellular processes.

Geschlechtshormone haben bei Wirbeltieren 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 Wissen um jene hormonellen Regulationsmechanismen, die bei Singvögeln in dem für das Erlernen und die Produktion des Gesangs verantwortlichen Gesangskontrollsystem des Vorderhirns wirksam sind.

<strong>Abb. 1</strong>: Kanarienvögel sind ein gut untersuchtes Singvogelmodell, bei dem der Gesang hauptsächlich von Männchen produziert, saisonal v Bild vergrößern
Abb. 1: Kanarienvögel sind ein gut untersuchtes Singvogelmodell, bei dem der Gesang hauptsächlich von Männchen produziert, saisonal verändert und durch Testosteron reguliert wird. In der Abbildung sind in Spektrogrammen die Silben von Gesangsausschnitten dargestellt. (A) Beim Gesang männlicher Kanarengirlitze (= Wildform des Kanarienvogels) ist die Wiederholungsfrequenz einiger während der Brutsaison (breeding season) verwendeten Silben höher als bei denen, die außerhalb der Brutsaison (non-breeding season) produziert werden. Darüber hinaus singen die Männchen ca. 25 % der Silben in nur einer der beiden Fortpflanzungsphasen. (B) Weibchen domestizierter Kanarienvögel singen in der Regel nicht. Jedoch kann eine mehrwöchige systemische Behandlung mit Testosteron bei Weibchen die Gesangsentwicklung induzieren. [weniger]

Geschlechtshormone und Balzgesang

Das Gesangskontrollsystem der Singvögel besteht aus einem Netzwerk untereinander durch Projektionsneurone verschalteter Kernregionen, die sich anatomisch deutlich von dem sie umgebenden Gehirngewebe unterscheiden (Abb. 2) [1]. Singvogelarten, bei denen hauptsächlich die Männchen Gesänge produzieren, zeichnen sich durch einen ausgeprägten Sexualdimorphismus aus: ihre Kernregionen sind erheblich größer.
Wie anderen phänotypischen Geschlechtsmerkmalen des Wirbeltiergehirns liegen auch der sexuell dimorphen Differenzierung des Gesangskontrollsystems Mechanismen zugrunde, die durch Geschlechtschromosomen festgelegt werden, wohingegen Geschlechtshormonen während der Jugendentwicklung eine aktivierende Rolle zukommt. So kontrolliert Östrogen bei jungen Zebrafinkenmännchen in einem übergeordneten Kern des Gesangskontrollsystems zu Beginn der Gesangslernphase die Expression des Nervenwachstumsfaktors BDNF (brain-derived neurotrophic factor), der eine wichtige Rolle beim Gesangslernen spielt [2, 3].

<strong>Abb. 2</strong>: Im zentralen Nervensystem der Singvögel akkumulieren in den Kernen des Gesangskontrollsystems jene Nervenzellen, die das Gesa Bild vergrößern
Abb. 2: Im zentralen Nervensystem der Singvögel akkumulieren in den Kernen des Gesangskontrollsystems jene Nervenzellen, die das Gesangsverhalten steuern. Am oberen Ende ihres Netzwerkes liegt im Vorderhirn der HVC. Ein Typ seiner Projektionsneurone formt die prämotorische Bahn und innerviert den robust nucleus of the arcopallium (RA) direkt. Ein anderer Neuronentyp sendet seine Fortsätze zur AreaX, womit die anteriore Vorderhirnschleife beginnt, die über weitere Kerne ebenfalls den RA erreicht. Von dort aus wird über motorische Nervenzellen im Hirnstamm die Aktivität der Muskeln des Lautbildungsorgans (Syrinx) und des Respirationssystems kontrolliert. [weniger]

Für eine wichtige 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 werden kann. Auch lässt sich bei erwachsenen 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, welche der genetischen und zellulären Veränderungen ursächlich mit der Wirkung des Hormons auf die Qualität des Gesangs verbunden sind.

Geschlechtshormone und adultes Gesangskontrollsystem

So wie Testosteron die Lautstärke, Dauer und Qualität des Vogelgesangs verändert, kann es das Wachstum der Muskeln des Lautbildungsorgans (Syrinx), Motivation vermittelnde Innervierungen des Gesangskontrollsystems und die Eigenschaften seiner neuronalen Kerne beeinflussen. Zu den morphologischen Veränderungen, die in bestimmten Kernen nach langfristiger Testosteronbehandlung auftreten, gehört die Volumenzunahme als Folge vergrößerter Neuronenkörper und Zellabstände, sowie der Bildung neuer Nervenzellen (Neurogenese). Dendritenbäume, die Gesamtheit der Nervenzellfortsätze mit Reizeingängen, wachsen und die Anzahl dendritischer Sporne und Synapsen nimmt zu (Abb. 3a, b). Hinsichtlich dieser Prozesse wurden bis vor kurzem allein die an der Neurogenese beteiligten molekularen Vorgänge der Testosteronwirkung näher untersucht. Als Versuchsmodell diente dabei der weibliche Kanarienvogel, bei dem - wie bei den Weibchen manch anderer Singvogelart - die Differenzierung des Gesangskontrollsystems und männlicher Gesang durch Testosteron induziert werden 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, sowie die des VEGF-Rezeptors. Die Expression der perivaskulären Gelatinase MMP2 (matrix metalloproteinase 2) steigt an und nach zwei 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, wodurch die Rekrutierung neu geborener Nervenzellen unterstützt wird. Die Rolle dieses Prozesses für die Testosteron-abhängige Entwicklung eines männlichen Gesangs beim Kanarienvogelweibchen ließ sich experimentell nachweisen, indem er durch die pharmakologische Hemmung der VEGF-Rezeptor-Aktivität verhindert und durch die zusätzliche Expression von exogenem BDNF stimuliert werden konnte [4]. Ob Testosteron im HVC weitere zelluläre Prozesse verändert, sollten Transkriptom-Analysen zeigen, die der Untersuchung der Expression aller Gene dienen.

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Abb. 3: Die beim weiblichen Singvogel durch Testosteron induzierte Gesangsentwicklung verändert die Kernregionen des Gesangskontrollsystems. Beim HVC führt die hormonelle Behandlung zu einer (A) Volumenzunahme, (B) Vervielfältigung der dendritischen Verzweigungen und Sporne und (C) verstärkten Transkription des BDNF-Gens. Gezeigt werden Mikrofotografien vom HVC des (A, B) Kanarienvogels und (C) Europäischen Rotkehlchens in histologischen Gehirnschnitten nach einer (A) Nissl-Färbung, (B) Golgi-Imprägnation, bzw. (C) In-situ-Hybridisierung mit einer radioaktiven Sonde für das Transkript des BDNF-Gens und anschließender Autoradiografie. Pfeile deuten auf den ventralen Rand vom HVC. Daten für (C) adaptiert nach [5].

[weniger]

 

Testosteron und Transkriptom des HVC

Genomweite Genexpressionsanalysen zeigten bei verschiedenen Singvogelarten, dass Testosteron im HVC eine Vielzahl von Prozessen verändert. Als die prominentesten Testosteroneffekte erwiesen sich bei männlichen wie weiblichen Kanarienvögeln die Morphogenese des Blutgefäßsystems und von Nervenzellfortsätzen sowie die Zunahme der synaptischen Aktivität [5, 6]. Übereinstimmend mit der hormonellen Wirkung auf die Nervenzellfortsätze im HVC der Singvögel ist bekannt, das Testosteronmetabolite wie Östradiol bei Nagetieren in verschiedenen Hirnarealen einen anregenden Effekt auf das Wachstum von Dendritenbäumen haben. Angiogenese, das Wachstum von Blutgefäßen, ist als neuroprotektiver Wirkungsmechanismus von Östradiol im Säugetiergehirn beschrieben, ebenso wie 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 bemerkenswert, dass die Stimulation  der  Expression von BDNF ein in der Evolution weitgehend unverändert erhalten gebliebener Regulationsmechanismus zu sein scheint (Abb. 3c) [5]. Für das Nagetiergehirn ist eine entsprechende Wirkung von Östrogen bereits bekannt. Allerdings ist noch nicht endgültig geklärt, ob bei der gut untersuchten und durch Östrogen stimulierten Entwicklung dendritischer Sporne eine kausale Wirkungskette vorliegt. Ob beim hormonell induzierten Vogelgesang die entscheidende Funktion von BDNF im Rahmen der Rekrutierung neu gebildeter Nervenzellen im HVC beschrieben werden kann, ist ebenfalls fraglich. Einen Hinweis auf eine weitere 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 wahrscheinlich auch in einem kausalen Zusammenhang stehen, wie er bei Nagetieren bereits vielfach gezeigt werden konnte.

Vergleicht man die Testosteroneffekte im HVC beider Geschlechter und verschiedener Singvogelarten, so scheint z. B. die Neurogenese bei weiblichen Kanarienvögeln sehr viel stärker durch Testosteron stimuliert zu werden als bei Männchen. Im Unterschied zum weiblichen Kanarienvogel weisen die im HVC weiblicher Rotkehlchen durch Testosteron hervorgerufenen Veränderungen der Genexpression nicht auf eine deutliche Stimulation der synaptischen Reizweiterleitung hin. Zelluläre Effekte von Testosteron auf den HVC können folglich geschlechts- und artspezifisch sein, ebenso wie es die durch Testosteron induzierten Gesänge sind. Diese partielle Heterogenität der Testosteroneffekte auf der Ebene zellulärer Prozesse beruht auf erheblichen Unterschieden zwischen Vogelarten hinsichtlich der Anzahl der durch das Hormon regulierten Gene (Abb. 4a). Dafür mit verantwortlich können Unterschiede im Bereich ihrer regulativen Sequenzen sein.

<p><strong>Abb. 4</strong>:&nbsp;<span style="background-color: white;">Die Artspezifit&auml;t der Ver&auml;nderungen des Genexpressionsmusters im HVC Bild vergrößern

Abb. 4Die Artspezifität der Veränderungen des Genexpressionsmusters im HVC, die Testosteron induziert, könnte auf Unterschieden auf der Ebene genomischer Regulationsmechanismen beruhen. (A) Weibchen verschiedener Singvogelarten unterscheiden sich im Anteil der Gene am HVC-Transkriptom, die durch Testosteron reguliert werden. Die jeweilige Dauer der Testosteronbehandlung ist angegeben. Da zwar das Genom des Kanarienvogels, nicht aber jenes vom Rotkehlchen sequenziert ist, können die genomischen Regulationsmechanismen zwischen diesen beiden Vogelarten noch nicht für viele Gene miteinander verglichen werden. (B) Möglich ist dies aber für den Zebrafinken und den Kanarienvogel. Im Gegensatz zum Kanarienvogel unterliegt der männliche Gesang beim Zebrafinken keinen saisonalen Veränderungen und wird kaum durch Testosteron beeinflusst. Das Balkendiagramm zeigt den Anteil von Genen am Genpool, die nur beim Kanarienvogel zum saisonalen Testosteron-sensitiven HVC-Transkriptom gehören, und Bindungsstellen für den Androgen- (androgen response element, ARE) bzw. Östrogenrezeptor (estrogen response element, ERE) in den Promotoren aufweisen, allerdings nur beim Kanarienvogel. Daten adaptiert nach [5, 6]

[weniger]

 

Genetische Regulationsmechanismen

Kernrezeptoren für Geschlechtshormone sind dafür prädestiniert, relativ langsame Effekte auszulösen, wie 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 sowohl 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 wiederholt Gesangsveränderungen ermöglicht.

Die Männchen vieler Singvogelarten der gemäßigten Zonen produzieren innerhalb und außerhalb der Brutsaison unterschiedliche Gesänge, und bei einigen konnte bereits gezeigt werden, dass deren Strukturen durch Geschlechtshormone veränderbar sind. Dabei wies 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 zwischen der Evolution von Promotoren und der eines geschlechtsspezifischen Verhaltens führen.

Literaturhinweise

1.
Bolhuis, J. J.; Gahr, M.

Neural mechanisms of birdsong memory

DOI
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
DOI
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

DOI
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

DOI
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

DOI
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

DOI
7.
Gahr, M.

How hormone-sensitive are bird songs and what are the underlying mechanisms

DOI
 
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