Genetic and epigenetic factors of social behavior: comparison of human-raised wolves and dogs living individually or in captive packs  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
107726
Type ANN
Principal investigator Rónai, Zsolt
Title in Hungarian A szociális viselkedés genetikai és epigenetikai tényezői emberrel szocializált, egyedül vagy falkában élő kutyák és farkasok összehasonlítása alapján
Title in English Genetic and epigenetic factors of social behavior: comparison of human-raised wolves and dogs living individually or in captive packs
Keywords in Hungarian polimorfizmus, epigenetika, biomarker, kutya, farkas, szociális viselkedés
Keywords in English polymorphism, epigenetics, biomarker, dog, wolf, DNA methylation, social behavior
Discipline
Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences)60 %
Ortelius classification: Molecular biology
Behavioural neuroscience (e.g. sleep, consciousness, handedness) (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Ortelius classification: Animal ethology
Panel Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent Dept. of Medical Chemistry, Molecular Biology and Pathobiochemistry (Semmelweis University)
Participants Bánlaki, Zsófia
Barta, Csaba
Bence, Melinda
Keszler, Gergely
Marx, Péter
Miklósi, Ádám
Németh, Nóra
Nemoda, Zsófia
Rónai, Zsolt
Sasvári, Mária
Sasvári, Mária
Starting date 2013-04-01
Closing date 2018-03-31
Funding (in million HUF) 31.678
FTE (full time equivalent) 9.75
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Humán és rágcsáló modellekben újabban sok eredmény születik a korai szociális környezet epigenetikai hatásairól, az ember közvetlen szociális környezetében élő kutyákkal kapcsolatban azonban ilyen tanulmány még nem ismert.

A tervezett interdiszciplináris kutatás egy szoros kollaboráció a Messerli Research Institute és a Wolf Science Center (Bécs, Ausztria) etológusai és a Molekuláris Genetikai Laboratórium (Orvosi, Vegytani, Molekuláris Biológiai és Patobiokémiai Intézet, Semmelweis Egyetem) molekuláris genetikusai között.

A tervezett kutatás tárgya az eltérő szociális környezetben felnevelt (pl. emberi vezetéssel vagy anélkül tartott kutya falkákban, vagy egyedüli családi kutyák, ahol a tulajdonos változóan erős kontrollja mellett élnek a kutyák), illetve különböző evolúciós hátterű állatok (kutya vs. farkas) genetikai (kandidáns gén polimorfizmusok) és epigenetikai (DNS metiláció) tényezőinek azonosítása, melyek összefüggenek az állatok standardizált tesztekben mért szociális viselkedésével. Az eredmények értékelésénél hangsúlyt fektetünk a genetikai faktorok és a szociális környezet interakciójának vizsgálatára.

A kitűzött célok közé tartozik a CANINE SOCIAL BEHAVIOR (CSB) BIOBANK létrehozása, melyet további, nemzetközi kutatásokban is fel kívánunk használni. A CSB BIOBANK a felvett viselkedési adatok, genetikai és epigenetikai jellemzők mellett post mortem agymintákat is tartalmazni fog, melyek analízisére további projektekben kerül majd sor.

A tervezett vizsgálatok különleges lehetőséget adnak egy olyan állatmodell tesztelésére, amely a jelenlegi rágcsáló és majom modellekkel ellentétben humán specifikus szociális jelzések tesztelésére lenne alkalmas.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatás alapkérdése:

Alkalmazható-e a kutya állatmodell a szociális viselkedés genetikai és epigenetikai tényezőinek illetve azok összefüggésének vizsgálatára?

Előzetes eredményeink szerint a kutya modell igen jól alkalmazható a humán viselkedés egyes elemei, mint például az impulzivitás genetikai vizsgálatára, erről előzetesen számos publikációnk született. A jelen projekt új aspektusa a környezetei hatások epigenetikai (DNS metilációs) változásokra gyakorolt hatásának mérése, melyet kutyán eddig nem vizsgáltak, azonban nem valószínű, hogy ennek technikai akadálya lenne.

Erre a kérdésre a kutatás során egyértelműen választ kapunk. Egyben létrehozunk egy olyan, DNS mintákat, genetikai, epigenetikai és viselkedéses adatokat tartalmazó biobankot, mely elősegíti a kutya modellünk alkalmazását további, nemzetközi kutatásokban.

A kutatás kiinduló hipotézise:

Az eltérő szociális környezetben felnevelt kutyák, illetve az azonos kísérleti körülmények közt felnevelt, de különböző evolúciós hátterű állatok (kutya vs. farkas) vizsgálata alkalmas a szociális viselkedés genetikai hátterének és a környezeti tényezők epigenetikai hatásainak vizsgálatára.

A szakirodalomban hasonló jellegű vizsgálatok elsősorban rágcsáló modellen, illetve majmokon folynak. A jelen kutatásban a családi kutyák eltérő szociális környezete (csoportban vagy egyedül nevelve, különböző emberi nevelési stílus mellett) adott, és előzetes vizsgálataink szerint jelentős hatással van a kutya viselkedésére. A javasolt kutatás új eleme az azonos körülmények között nevelt farkasok és kutyák vizsgálata, mely egyedülálló lehetőséget nyújt két, igen közel álló faj epigenomjának összehasonlítására.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A jelen pályázatban nemzetközi együttműködéssel kívánjuk megismerni a szociális viselkedésben szerepet játszó öröklött tényezők és környezeti hatások interakcióját. A kutatás egyik fontos eredménye egy olyan BIOBANK létrehozása, mely magába foglalja kb. 300, változatos környezeti körülmények közt felnevelt kutya és farkas DNS mintáját, hormonális adatait, esetenként post mortem agymintáját is, valamint a részletes viselkedési, genetikai és epigenetikai adatait tartalmazó adatbázisokat.

Ez a kutatás kiváló lehetőséget biztosítana a szociális környezethatások tanulmányozására állatmodellen. Az emberek által felnevelt kutyák szociális viselkedése a humán szociális fenotípus sokkal relevánsabb modellje lehet, mint a fogságban tartott majmoké vagy a laboratóriumi körülmények közt tartott rágcsálóké, mivel a kutyák emberrel megosztott szociális környezetben élnek és szociális viselkedésük számos analógiát mutatnak az emberével. Ha a kedvezőtlen körülmények hatásaként az emberhez hasonló epigenetikai változásokat tudnánk kimutatni kutyákban, egyes kandidáns gének megfelelő DNS régióiban, ez áttörő eredmény lenne a humán szociális viselkedési zavarok, mint például az autizmus modellezésében. Az is megemlítendő, hogy a kutya a főemlősökhöz képest egy kevésbé költséges modell lenne, valamint a kutya és az ember közeli kapcsolata lehetővé tenné a finomabb szociális környezeti változások modellezését is.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A szociális viselkedés megfelelő formái nemcsak az emberi társadalomban fontosak, de az állatok esetében is nagy jelentőségűek. Az is ismert, hogy a szociális viselkedésformáknak vannak öröklött (genetikai) és környezeti (nevelési) tényezői mind embernél, mind állatoknál. Az utóbbi időben azt is kimutatták, hogy a környezet hatására bizonyos jelek – például DNS metilációs változások – alakulhatnak ki a genomban, melyek hatással lehetnek későbbi viselkedésünkre.

A jelen pályázatban eltérő környezetben nevelkedett kutyák és farkasok szociális viselkedését tervezzük vizsgálni, ahol az egyedek között megfigyelt viselkedési eltérések hátterében álló öröklött (genetikai) és környezeti, DNS metilációs szintet befolyásoló (epigenetikai) tényezőket kívánunk azonosítani. A kutya a domesztikáció során erősen szocializálódott az emberrel, míg a farkas nem, mely jelentős eltérést okoz a kutya és a farkas szociális viselkedésében. Ezeket az eltéréseket térképezik fel a pályázat osztrák etológusai, akik farkasokat és kutyákat azonos módon, falkában nevelnek és viselkedésüket rendszeresen tesztelik. Másrészt, összehasonlítják a csoportban és egyedül tartott kutyák viselkedését is. Reményeink szerint a vizsgálat során olyan új eredményeket szolgáltatunk a szakirodalom számára, illetve egy olyan biobankot tudunk létrehozni, mely megalapozza a szociális viselkedés genetikai és környezeti faktorainak vizsgálatát ezen az állatmodellen. Amennyiben a szociális környezet hatására bekövetkező DNS metilációs szint változásokban hasonlóságot figyelünk meg a kutya és az ember között, akkor egy hatékony és érzékeny állatmodellt tudnánk kifejleszteni a szociális interakció tüneteinek jellemzésére.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Increasing number of human, primate, and rodent studies report epigenetic effects of early social environment, however, there is no published data in connection to dogs which live in the actual social environment of humans.

The proposed work is an interdisciplinary research between the ethologists of the Messerli Research Institute and the Wolf Science Center in Vienna, Austria and the molecular geneticists at the Laboratory of Molecular Genetics, Institute of Medical Chemistry, Molecular Biology and Pathobiochemistry, Semmelweis University in Budapest, Hungary.

The comparative behavioral analyses of wolves and dogs would be based on different social environments (e.g., dogs living in captive packs with or without human leading or as pet-dogs with different level of owner control) and on the different evolutionary background of animals (wolf vs. dog). We plan to identify genetic and epigenetic markers associated with the animals’ social behavior recorded in standardized test situations. Studying the interactive effects of genetic factors and social environment would be in the center of our study.

One of our aims is to create the CANINE SOCIAL BEHAVIORAL (CSB) BIOBANK which we plan to use in further international collaborations. The CSB BIOBANK will also contain post mortem brain samples which are planned to be analyzed in future collaborative projects.

The proposed analyses would give a unique possibility to test an animal model which could be used for testing the effects of human-specific social environment, because unlike monkeys and rodents, dogs are sensitive to human social cues.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The research question: Is the dog model a suitable model of social behavior in the analyses of genetic and epigenetic factors and their interactive effects?

Based on our previously published results, the dog model is suitable for studying genetic factors of certain human traits, such as impulsivity. The novel aspect of the present proposal is the analyses of environmental effects on epigenetic (DNA methylation pattern) modifications, which have not been studied in canines. However, probably there is no technical issue hindering this new type of analyses.

The proposed study would clearly answer our research question. In addition, we would establish a biobank containing DNA samples, and detailed behavioral, genetic, and epigenetic data, which would help using our dog model in future international collaborations.

HYPOTHESIS OF THE PROPOSED RESEARCH:

The comparative analyses of dogs living in different social environments as well as of dogs and wolves (which have different evolutionary background but raised identically) would be suitable for studying genetic factors and environmental effects on epigenetic modifications.

Similar studies have been conducted mostly on rodent and monkey models. We suggest using an animal model where - based on our previous, published observations - the different social environment of the dogs (raised in packs or individually as pet-dogs with different level of owner control) has a significant effect on their behavior. The new aspect of the proposed research is the analyses of dogs and wolves living in a similar environment, which would enable us to compare the epigenome of these two closely related species.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The presented proposal is an international effort to understand the interaction between genetic factors and environmental effects in social behavior. One of the main results of the proposed project is the establishment of a biobank involving DNA samples, hormonal data, post mortem brain samples and detailed behavioral, genetic, and epigenetic data of about 300 dogs and wolves raised under various environmental conditions.

This study would give a unique possibility to test an animal model of social environmental effects. The social behavior of human-raised dogs could be much more relevant to human social behavior phenotypes compared to that of monkeys kept in captivity or of rodents kept in laboratory settings, because dogs live in a social environment shared by humans and they show social behaviors analogous with human patterns. If we can detect similar epigenetic changes in the DNA methylation levels of selected gene regions as a consequence of adverse environment in dogs and humans, it would mean a break-through in modeling impairment of human social behavior, which is important in a range of mental health disorders, such as autism. The closer relationship of dogs and humans would enable us to model delicate changes in social environment, and it would also represent a less expensive model compared to primate models.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

The development of social behavior is important not only in humans living in societies but also among social animals. It is well known that social behavior patterns have inherited (genetic) and environmental (nurturing) determinants both in humans and in animals. Recently, it has been also shown that environmental factors can affect certain marks – such as DNA methylation levels – in the genome, which can subsequently have an effect on later behavioral patterns.

We aim to study the social behavior of wolves and dogs raised in different social environment, where we hope to identify genetic factors and environmental effects resulting in epigenetic (DNA methylation) changes in the background of individual behavioral differences. During domestication, dogs have been socialized with humans, whereas wolves have not. This could explain the observed significant changes in their social behavior. These differences have been studied by the Austrian ethologists who raise dogs and wolves under identical environment, in captive packs. On the other hand, they also compare the behavior patterns of dogs living in packs or individually in human households. We hope that we can obtain new findings in this animal model of social behavior, and create a biobank which would help establishing the usability of our model to study the effects of genetic and environmental factors on social behavior. If we can detect similar epigenetic changes in DNA methylation levels as a consequence of environmental effects in dogs and humans, we could establish an effective and sensitive animal model for studying social interaction problems.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A kutatás célja a szociális viselkedési jegyek hátterében álló genetikai, epigenetikai és környezeti faktorok szerepének és mechanizmusának feltárása volt. Molekuláris biológiai elemzéseket végeztünk különböző szociális környezetben élő kutyáktól és farkasoktól származó minták felhasználásával. A viselkedési jegyek kialakulásában mind környezeti, mind örökletes tényezők alapvető szerepet játszanak. A gének kifejeződését a DNS szekvenciájának variációi (genetikai polimorfizmusok) és az epigenetikai faktorok egyaránt befolyásolják. Az epigenetikai jegyek öröklődnek, ugyanakkor érzékenyek a környezeti hatásokra is, melyek az epigenetikai mintázat megváltozását eredményezhetik. Ennek megfelelően az epigenetikai faktorok a genetikai és a környezeti tényezők közötti molekuláris kapcsolatnak tekinthetők. Eredményeink alapján az OXTR gén polimorfizmusai kapcsolatban állnak a szociális viselkedési jellemzőkkel. Az OXTR polimorfizmusok in silico elemzése alapján feltételezhető, hogy ezen variánsok szabályozó szerepűek. Funkcionális elemzéseink ezt a felvetést megerősítették: 1 SNP szignifikánsan emelte a génexpresszió mértékét, és egy GT dinukleotid polimorfizmus a 3’ UTR-ben szintén szabályozó szerepűnek bizonyult. Az epigenetikai faktorok szerepének elemzése céljából fajok és fajták közötti összehasonlító elemzést végeztünk. Ennek eredményeként a farkasok és a kutyák illetve az egyes fajták sajátos DNS-metilációs mintázatára derült fény.
Results in English
The aim of our project was to gain a deeper insight into the role and mechanism of genetic, epigenetic and environmental factors in shaping social behavioral traits. For this purpose, molecular biological analyses were carried out on canine samples taken from behaviorally tested dogs and wolves living under different social circumstances. Behavior is strongly influenced both by inherited and environmental factors. Gene expression can be influenced by DNA sequence variations (i.e. genetic polymorphisms), but also by so-called epigenetic modifications. These marks can be inherited, but at the same time they are sensitive to environmental factors, which can induce changes in epigenetic profiles. Consequently epigenetic factors represent a molecular link between genetic factors and environment. OXTR polymorphisms were found to be linked to social behavioral traits. In silico analyses on the OXTR polymorphisms identified putative regulatory role. This assumption was tested by functional assays, which showed that 1 SNP significantly increased gene expression, and a GT dinucleotide variant in the 3’ UTR also had prominent gene regulatory effect. In order to gain insight into the potential role of epigenetics, comparative inter-species and inter-breed DNA methylation studies were also conducted. Hierarchical cluster analysis indicated an unambiguous segregation of dog from wolf, and also the complete segregation of one of the dog breeds form the other two breeds.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=107726
Decision
Yes





 

List of publications

 
Banlaki Z, Cimarelli G, Viranyi Z, Turcsan B, Topal J, Sasvari-Szekely M, Ronai Z: Relationship between oxytocin receptor promoter methylation, behavior and environmental factors in pet dogs, The Mobile Genome: Genetic and Physiological Impacts of Transposable Elements, Heidelberg, Germany, September 16-19, 2015, 2015
Banlaki Z, Cimarelli G, Viranyi Z, Kubinyi E, Sasvari-Szekely M, Ronai Z: DNA methylation patterns of behavior-related gene promoter regions dissect the gray wolf from domestic dog breeds, MOL GENET GENOMICS 292: (3) 685-697, 2017
Cimarelli G, Viranyi Z, Turcsan B, Ronai Z, Sasvari-Szekely M, Banlaki Z: Social Behavior of Pet Dogs Is Associated with Peripheral OXTR Methylation., FRONT PSYCHOL 8: 549, 2017
Cimarelli G, Turcsán B, Bánlaki Z, Range F, Virányi Z: Dog Owners' Interaction Styles: Their Components and Associations with Reactions of Pet Dogs to a Social Threat, Front Psychol. 2016 Dec 20;7:1979. doi: 10.3389/fpsyg.2016.01979. eCollection 2016, 2016
Bence M, Marx P, Szantai E, Kubinyi E, Ronai Z, Banlaki Z: Lessons from the canine Oxtr gene: populations, variants and functional aspects, Genes Brain Behav. 2017 Apr;16(4):427-438. doi: 10.1111/gbb.12356. Epub 2016 Dec 14., 2017
Kis A, Bence M, Lakatos G, Pergel E, Turcsán B, Pluijmakers J, Vas J, Elek Z, Brúder I, Földi L, Sasvári-Székely M, Miklósi Á, Rónai Z, Kubinyi E: Oxytocin receptor gene polymorphisms are associated with human directed social behavior in dogs (Canis familiaris), PLOS ONE 9:(1) Paper e83993., 2014
Kubinyi E, Bence M, Koller D, Wan M, Pergel E, Ronai Z, Sasvari-Szekely M, Miklosi A: Oxytocin and opioid receptor gene polymorphisms associated with greeting behavior in dogs, Front Psychol. 2017 Sep 7; 8: 1520, 2017
Cimarelli G, Turcsán B, Range F, Virányi Z: The Other End of the Leash: An Experimental Test to Analyze How Owners Interact with Their Pet Dogs, J Vis Exp. 2017 Oct 13;(128), 2017
Turcsán B, Range F, Rónai Z, Koller D, Virányi Z: Context and Individual Characteristics Modulate the Association between Oxytocin Receptor Gene Polymorphism and Social Behavior in Border Collies, Front Psychol. 2017 Dec 19;8:2232, 2017
Grillaert K, Cimarelli G, Banlaki Z, Kotrschal K, Range F, Viranyi Z: Behavioral and epigenetic variations in differentially socialized dog puppies, Association of Professional Dog Trainers Conference; Richmond, VA, USA ; 2017 Oct 18-21, 2017
Kis A, Bence M, Lakatos G, Pergel E, Turcsán B, Pluijmakers J, Vas J, Elek Z, Brúder I, Földi L, Sasvári-Székely M, Miklósi Á, Rónai Z, Kubinyi E: Oxytocin receptor gene polymorphisms are associated with human directed social behavior in dogs (Canis familiaris), PLOS ONE 9:(1) Paper e83993., 2014
Banlaki Z, Cimarelli G, Viranyi Z, Topal J, Koller D, Sasvari-Szekely M, Ronai Z: Investigating DNA methylation differences in the canine oxytocin receptor gene promoter between differently raised dogs and wolves, 27th ESGM-ESHG Course in Medical Genetics, Bertinoro, Italy; May 10-15, 2014
Banlaki Z, Bence M, Viranyi Z, Koller D, Sasvari-Szekely M, Ronai Z: Effects of canine OXTR alleles and epialleles on gene expression, XXII. World Congress of Psychiatric Genetics (WCPG); Copenhagen, Denmark; October 12-16, 2014
Cimarelli G, Turcsán B, Bánlaki Z, Range F, Rónai Z, Sasvári-Székely M, Virányi Z: Effects of ownership styles on epigenetic modifications of OXTR gene in dogs (Canis familiaris), International Society of Anthrozoology (ISAZ) 2014 Conference, Vienna, Austria; 19-22 July, 2014
Cimarelli, G., Turcsán, B., Bánlaki, Zs., Range, F., Rónai, Z, Sasvári-Székely, M., Virányi, Zs.: How to raise a friendly and relaxed dog? Reaction of pet dogs in a socially stressful situation: is it linked to the owner interaction style?, IV. Canine Science Forum; Lincoln, UK, July 14-18., 2014
Cimarelli, G., Turcsán, B., Bánlaki, Zs., Range, F., Rónai, Zs., Sasvári-Székely, M., Virányi, Zs.: Social relationships and intraspecific social support in dogs and wolves: effects of social environment on OXTR methylation., 4th Rovereto workshop on Cognition and Evolution (CogEvo); Rovereto, Italy, July 7-9, 2014
Turcsán, B., Virányi, Zs., Koller, D., Rónai, Zs., Range, F.: Polymorphisms in the oxytocin receptor gene are associated with social behavior in Border collies., IV. Canine Science Forum; Lincoln, UK, July 14-18, 2014
Banlaki Z, Cimarelli G, Viranyi Z, Kubinyi E, Topal J, Sasvari-Szekely M, Ronai Z: OXTR promoter methylation is related to social behavior in dogs, 4th ESGM-ESHG Course on Next Generation Sequencing, Bertinoro, Italy; May 13-16, 2015
Banlaki Z, Cimarelli G, Turcsan B, Viranyi Z, Kubinyi E, Sasvari-Szekely M, Ronai Z: Implication on the role of epigenetics in canine social behavior, 4th Sardinian Summer School Course - From GWAS to Function, Pula (Cagliari), Italy; June 22-26, 2015
Banlaki Z, Cimarelli G, Viranyi Z, Kubinyi E, Sasvari-Szekely M, Ronai Z: DNA methylation patterns of several behaviour-related gene promoters: a comparative analysis between domestic dog breeds and the grey wolf, XXIIIrd World Congress of Psychiatric Genetics (WCPG); Toronto, Canada; October 16-20, 2015





 

Events of the project

 
2017-11-22 12:16:08
Vezető kutató váltás
Régi vezető kutató: Sasvári Mária
Új vezető kutató: Rónai Zsolt

A vezető kutató váltás indoka: A vezető kutató nyugdíjba vonult.
2013-11-15 11:17:40
Résztvevők változása




Back »