Détection et évitement d'une odeur de carnivore par les proies
Edité par David E. Clapham, Children's Hospital Boston, Howard Hughes Medical Institute, Boston, MA, et approuvé le 23 mai 2011 (reçu pour révision le 28 février 2011)
Traduction DEEPL, illustrations annotées Robert Wojciechowski
WEB
Les relations prédateur-proie fournissent un paradigme classique pour comprendre la base moléculaire d'un comportement complexe ( 1 ).
Les signaux visuels, auditifs et olfactifs dérivés des prédateurs induisent des réponses défensives câblées chez les proies qui sont sculptées par une forte pression évolutive et sont essentielles à la survie. Par exemple, les odeurs de félins, de canidés et d'autres prédateurs provoquent des réactions innées chez les rongeurs, y compris des comportements d'évitement stéréotypés et une stimulation de l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien qui coordonne les réponses sympathiques au stress.
ELITE GP
Les réactions aversives aux odeurs peuvent également fonctionner en sens inverse, car les thiols de mouffette facilitent la fuite des proies en repoussant les espèces prédatrices ( 2 ).
Les odeurs de prédateurs contiennent une classe de chimio-signaux écologiques appelés kairomones, des signaux transmis entre les espèces qui profitent à l'organisme détecteur.
Les kairomones dérivées des odeurs de prédateurs qui provoquent des réponses défensives chez les rongeurs sont largement inconnues et peuvent être trouvées dans la fourrure, les squames, la salive, l'urine ou les excréments d'espèces de prédateurs divergentes.
Un produit chimique volatil produit par les renards, le 2,5-dihydro-2,4,5-triméthylthiazole (TMT), et deux lipocalines non volatiles produites par les chats et les rats provoquent un comportement de peur ou d'aversion chez la souris, permettant une détection à distance ou par contact de signaux prédateurs ( 3 – 5).
Chacun de ces produits chimiques n'est pas largement produit par les prédateurs, ce qui soulève la possibilité que les rongeurs détectent une multitude de signaux de prédateurs spécifiques à l'espèce, chacun déclenchant une réponse défensive câblée. Alternativement, ou en plus, les espèces de proies pourraient détecter les prédateurs grâce à des métabolites communs dérivés de voies métaboliques partagées ou d'un régime carnivore ( 6 ). Bien que les métabolites de prédateurs communs puissent, en principe, fournir un mécanisme généralisable permettant aux rongeurs d'éviter de nombreux prédateurs, même ceux qui n'ont pas été rencontrés auparavant au cours de l'histoire d'un individu ou d'une espèce, aucun kairomone de ce type n'a été identifié.
On pense que les odeurs de prédateurs activent les récepteurs sensoriels à la fois dans l'épithélium olfactif et dans l'organe voméronasal des rongeurs ( 1 , 4 , 5 ), mais les récepteurs sensoriels particuliers des rongeurs qui répondent sélectivement aux odeurs de prédateurs n'ont pas été identifiés. Certaines sources d'odeurs brutes de prédateurs, telles que la fourrure de chat et la salive, activent les circuits neuronaux associés au système olfactif accessoire et sont donc probablement détectées par les récepteurs voméronasaux ( 1 , 7 ). De plus, les lipocalines dérivées de prédateurs activent les neurones sensoriels voméronasaux de la souris et ne déclenchent pas de comportement défensif chez les animaux dépourvus de TrpC2 ( 5 ), un canal clé de transduction du signal dans les neurones voméronasaux ( 8 ,9 ).
Cependant, d'autres odeurs de prédateurs suscitent de puissantes réactions d'aversion à travers le système olfactif principal. Les souris dépourvues de récepteurs sensoriels dans un large domaine dorsal de l'épithélium olfactif principal n'évitent pas le TMT ou l'urine de léopard, et les ignorent ou sont plutôt attirées par eux ( 4 ). Ainsi, plusieurs sous-systèmes olfactifs détectent différentes odeurs de prédateurs et adoptent des réponses défensives appropriées. Les récepteurs olfactifs qui répondent sélectivement aux odeurs de prédateurs, qu'ils soient exprimés dans l'épithélium olfactif principal, l'organe voméronasal ou une autre sous-structure olfactive, pourraient fournir un fort avantage évolutif aux rongeurs.
Ici, nous identifions la 2-phényléthylamine comme étant un produit naturel avec une production enrichie par de nombreux carnivores. Ce produit chimique active les cellules HEK293 exprimant un récepteur olfactif de souris et provoque des réponses calciques dans les neurones sensoriels olfactifs de souris. La 2-phényléthylamine évoque également des réponses physiologiques et comportementales chez deux espèces de proies, car elle repousse les souris et les rats et induit une poussée de corticostérone associée chez les rats. Les réponses d'évitement innées ont été maintenues chez les souris dépourvues de TrpC2, ce qui suggère que la signalisation voméronasale n'est pas nécessaire. De plus, l'appauvrissement en 2-phényléthylamine d'une odeur de carnivore, l'urine de lion, modifie le comportement de réponse du rat. Ensemble, ces données indiquent que la 2-phényléthylamine est une kairomone dérivée d'une odeur de prédateur détectée et évitée par les proies.
Résultats
Identification d'une odeur de prédateur.
Au cours de l'identification de ligands naturels et synthétiques pour les récepteurs olfactifs associés aux amines traces (TAAR) ( 10 ), nous avons découvert que le TAAR4 de souris détecte sélectivement l'urine de plusieurs espèces de carnivores ( Fig. 1 A). Les cellules HEK293 ont été cotransfectées avec des plasmides d'expression TAAR et un gène rapporteur dépendant de l'AMPc codant pour la phosphatase alcaline sécrétée (CRE-SEAP). Les cellules transfectées ont été incubées avec des extraits d'urine de différentes espèces de mammifères et l'activité de la phosphatase a été quantifiée avec un substrat fluorescent comme rapporteur pour l'activation des TAAR. Les extraits d'urine (dilution 10 fois) de lynx roux et de pumas ont activé TAAR4, contrairement aux extraits d'urine de rongeurs et humains. Les réponses aux odeurs de prédateurs n'ont pas été observées dans les cellules témoins transfectées avec le gène rapporteur seul. Trois autres TAAR - TAAR7f, TAAR8c et TAAR9 - ont détecté des produits naturels communs à l'urine de nombreuses espèces de mammifères, notamment la souris, le rat, l'homme et les carnivores ( Fig. 1 B et Fig. S1). Cependant, ces récepteurs détectent les urines carnivores et non carnivores avec une sensibilité similaire. Nous avons estimé que TAAR4 détectait un produit chimique spécifique enrichi en urine de prédateur et que ce signal pouvait fonctionner comme une kairomone.
Fig. 1.TAAR4 détecte les odeurs de prédateurs.
( A ) Les cellules HEK293 ont été transfectées avec TAAR4 et des plasmides rapporteurs, incubées avec des extraits d'urine des espèces indiquées et testées pour l'activité du rapporteur (triplicats ± SD). TAAR4 a été activé par des extraits d'urine (dilution de 10 fois) de deux prédateurs de rongeurs, le lynx roux et le puma, mais pas de souris, de rat ou d'humain. Aucune réponse n'a été observée aux odeurs animales dans les cellules témoins transfectées avec le plasmide rapporteur seul. TAAR4 a été exprimé sous forme de protéine de fusion avec une séquence N-terminale de rhodopsine bovine, qui a fourni un signal amélioré ( 24 ). ( B) Rat TAAR9, rat TAAR8c et souris TAAR7f ont détecté l'urine de plusieurs espèces, y compris la souris, le rat et l'homme. L'urine (diluée 300 ou 100 fois) ou les extraits d'urine (dilués 30, 10 ou 3 fois) des espèces indiquées ont été testés (triplicats ± ET).
Wildlife Research Center
Nous avons utilisé une approche de fractionnement chimique pour purifier et caractériser l'activateur enrichi en urine de prédateur. Des extraits basiques de dichlorométhane d'urine de lynx roux ont été séparés par chromatographie sur gel de silice et les fractions ont été analysées avec le test du gène rapporteur ( figure 2A ) . Plusieurs fractions de chromatographie contenant l'activateur TAAR4 ont été obtenues et analysées par spectrométrie de masse ( Fig. 2B ). Un constituant a été détecté avec exactement la même masse ( m/z = 122) que la 2-phényléthylamine ionisée. De plus, la fragmentation de ce constituant et la détection par spectrométrie de masse en tandem ont identifié un ion fille ( m/z= 105) correspondant à une perte neutre d'ammoniac, un schéma de fragmentation identique à celui observé avec la 2-phényléthylamine. La 2-phényléthylamine disponible dans le commerce était un puissant activateur de TAAR4 (EC 50 ≈ 2 μM), alors que les amines apparentées présentant de petites perturbations de structure, telles que la benzylamine, n'activaient pas de la même manière TAAR4 ( Fig. 2 C ). Un panel d'autres produits chimiques structurellement apparentés et de métabolites de la phénylalanine n'a pas non plus activé TAAR4 avec une affinité comparable ( Fig. S2 ). De plus, la 2-phényléthylamine n'a pas activé de la même manière d'autres TAAR olfactifs avec des ligands identifiés ( Fig. 2 D), bien qu'il ait activé TAAR1, qui n'est pas un récepteur olfactif, et à des concentrations 30 fois plus élevées TAAR3, qui détecte de nombreuses amines primaires, dont la benzylamine ( Fig. S3 ). La spectrométrie de masse, l'analyse de la fragmentation, le temps de rétention chromatographique (voir ci-dessous) et l'activité fonctionnelle soutiennent tous que la 2-phényléthylamine est le principal activateur naturel du TAAR4 présent dans l'urine de lynx roux.
Fig. 2.
La 2-phényléthylamine est une odeur de prédateur dans l'urine de lynx roux. ( A ) L'urine de lynx été fractionnée par chromatographie sur gel de silice et les fractions ont été analysées pour la présence d'activateur TAAR4 avec le test du gène rapporteur (triplicats ± SD). ( B ) Un ion avec la même masse et le même schéma de fragmentation que la 2-phényléthylamine a été observé dans une fraction active d'urine de lynx roux. ( C ) Commercial 2-phényléthylamine, mais pas la benzylamine, activé TAAR4 (triplicats ± SD). ( D ) La 2-phényléthylamine (10 μM) a activé TAAR4 mais n'a pas activé de la même manière d'autres TAAR olfactifs avec des agonistes identifiés.
Production de 2-phényléthylamine enrichie par de nombreux carnivores.
Nous avons ensuite examiné si les niveaux élevés de 2-phényléthylamine étaient spécifiques à l'urine de lynx roux ou généraux à de nombreuses urines de carnivores. Nous avons utilisé la chromatographie liquide à haute performance quantitative couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC/MS) pour mesurer les concentrations de 2-phényléthylamine dans divers échantillons. L'injection de 2-phényléthylamine pure et le comptage des ions de masse appropriée ( m / z = 122) au fil du temps ont donné un seul pic dont la surface était linéairement corrélée à la concentration, permettant la quantification ( Fig. S4 ). De plus, l'analyse LC/MS d'extraits d'urine de lynx roux a révélé un seul pic d'ions avec m/z = 122 qui migrait précisément avec la 2-phényléthylamine dans les échantillons dopés ( Fig. 3 A ).
Fig. 3.
La 2-phényléthylamine est un composant commun à de nombreuses odeurs de carnivores. ( A ) L'analyse LC/MS des extraits d'urine de bobcat, représentée graphiquement comme le nombre de comptages d'ions avec m/z = 122 au fil du temps, a identifié un seul pic avec un temps de rétention identique à la 2-phényléthylamine. ( B ) Les niveaux de 2-phényléthylamine (PEA) ont été quantifiés dans plusieurs échantillons d'urine (#) de 38 espèces et 6 ordres de mammifères, comme indiqué. Les échantillons ont été soit achetés (p), soit fournis par un zoo (z), soit prélevés (c). ( C ) Les taux urinaires moyens de 2-phényléthylamine étaient > 50 à 500 fois plus élevés chez les carnivores que chez les autres ordres de mammifères.
OUVRIR DANS LE VISUALISEUREnsuite, nous avons quantifié les niveaux de 2-phényléthylamine dans des extraits d'urine de 123 échantillons provenant de 38 espèces de mammifères différentes ( Fig. 3 B ), y compris des membres des ordres carnivore, rongeur, artiodactyle, primate, lagomorphe et périssodactyle. Les spécimens ont été obtenus auprès de plusieurs zoos collaborateurs, de sources commerciales ou d'une collecte nocturne dans une cage métabolique. Les spécimens du zoo ont été congelés immédiatement après la collecte pour empêcher la croissance bactérienne. Dans les cas où la 2-phényléthylamine n'a pas été détectée dans les extraits d'échantillons, des extraits concentrés 20 × ont également été analysés pour une sensibilité accrue (limite de détection <100 nM).
Les taux urinaires de 2-phényléthylamine variaient d'une espèce à l'autre de plusieurs ordres de grandeur. Dans les urines de 18/19 carnivores, les niveaux de 2-phényléthylamine étaient > 2 μM, les niveaux les plus élevés étant observés dans l'urine de lion (340,1 μM). En revanche, l'urine de 0/19 espèces non carnivores, représentant cinq ordres de mammifères différents, avait des niveaux de 2-phényléthylamine> 2 μM. La 2-phényléthylamine était indétectable (<100 nM) dans l'urine de 11/19 de ces espèces. Les niveaux moyens de 2-phényléthylamine dans les échantillons d'espèces carnivores examinées (56,2 μM) étaient > 50 à 500 fois plus élevés ( Fig. 3 C ) que les niveaux moyens dans les échantillons de tout autre ordre de mammifères (<100 nM à <1 μM). Nous avons observé une certaine variation des niveaux de 2-phényléthylamine entre les spécimens de la même espèce de carnivore ( Fig. S5). Par exemple, les niveaux de 11 spécimens de lynx roux variaient de 5,3 μM à 72,6 μM, ce qui suggère que sa production pourrait être davantage influencée par des facteurs physiologiques inconnus. Cependant, les niveaux de 2-phényléthylamine étaient plus élevés dans les 11 spécimens de lynx roux que dans n'importe lequel des 40 échantillons non carnivores testés. Ensemble, ces données indiquent que la 2-phényléthylamine est un métabolite commun dont la production est élevée chez de nombreux carnivores.
La 2-phényléthylamine active les neurones sensoriels olfactifs de la souris.
Le système olfactif des mammifères code l'identité des odeurs en utilisant des combinaisons de récepteurs olfactifs ( 11 ). L'imagerie de population de neurones sensoriels dans des tranches de tissu a fourni une stratégie précieuse pour comprendre comment le système olfactif reconnaît les phéromones, les peptides du CMH et les signaux olfactifs complexes contenant des informations sur le sexe et l'individualité ( 12 - 15 ). Ici, nous avons utilisé une stratégie d'imagerie confocale pour enregistrer les transitoires de calcium cytosolique de neurones sensoriels uniques en temps réel. La viabilité des neurones analysés a été déterminée après exposition aux odeurs par dépolarisation induite par le KCl.
La 2-phényléthylamine a activé un sous-ensemble de neurones sensoriels olfactifs sensibles au KCl situés à la fois dans l'épithélium olfactif dorsal et ventral, bien qu'un pourcentage plus élevé de neurones sensibles soient situés dorsalement ( Fig. 4 A et B ). Le nombre de neurones répondants dans l'épithélium olfactif dorsal, qui variait avec la concentration du test, indiquait que la 2-phényléthylamine activait plusieurs récepteurs olfactifs ( figure 4C ). Le pourcentage de neurones activés était similaire à ce qui a été rapporté pour d'autres odeurs ( 11 , 16 ). Parce que la région dorsale de l'épithélium olfactif médie les réponses comportementales à de nombreuses odeurs aversives, y compris une urine de carnivore ( 4), et est également le site d'expression de TAAR4 ( Fig. S6 ), nous nous sommes concentrés sur l'imagerie de l'épithélium olfactif dorsal dans des expériences ultérieures.
Fig. 4.
La 2-phényléthylamine active les neurones sensoriels olfactifs des rongeurs. ( A ) Réponses calciques cytosoliques représentatives de neurones sensoriels olfactifs individuels dans des tranches de tissu aiguës. Les neurones chargés de Fluo-4 (définis par les contours indiqués) ont été exposés à de la 2-phényléthylamine et à du KCl élevé (40 mM). Les images soustraites à l'arrière-plan de l'intensité du colorant rapporteur sont codées en pseudo-couleurs (spectre arc-en-ciel). ( B ) Pourcentage de neurones sensoriels olfactifs dorsaux ( n = 804) et ventraux ( n = 520) activés par la 2-phényléthylamine aux concentrations indiquées. ( C ) Pourcentage de neurones sensoriels olfactifs dorsaux ( n = 1 747) activés par la 2-phényléthylamine à différentes concentrations. ( D) Traces représentatives de la fluorescence Fluo-4 intégrée au fil du temps dans des neurones sensoriels olfactifs dorsaux individuels exposés à des stimuli de test : 2-phényléthylamine (100 pM), urine de lion ( Fig. S5 ; spécimen 5, 1:10 000), urine de girafe ( Fig. S5 ; spécimen 1, 1:10 000), benzylamine (100 pM) et KCl (40 mM).
OUVRIR DANS LE VISUALISEUR
OUVRIR DANS LE VISUALISEUR
Dans l'épithélium olfactif dorsal, nous avons identifié un petit sous-ensemble de neurones sensoriels sélectifs des odeurs de carnivores (21/1 268 ; 1,7 %) qui étaient activés par l'urine de lion mais pas de girafe (dilué à 10 000 : 1). La plupart des neurones carnivores sélectifs des odeurs, mais pas tous, ont répondu à la 2-phényléthylamine (13/21 activés par 10 000:1 d'urine de lion et 10/18 activés par 100:1 d'urine de lion).
Ces données indiquent que la 2-phényléthylamine est un signal majeur, mais non exclusif, enrichi en urine de lion reconnu par le système olfactif principal. De plus, certains neurones sensibles à la 2-phényléthylamine étaient efficaces pour distinguer l'urine de lion de l'urine de girafe et ne répondaient pas à la benzylamine (13/52, 25 % des neurones sensibles à la 2-phényléthylamine ; ou 13/1 268, ≈1 % de tous les neurones dorsaux). neurones sensibles au KCl), tandis que d'autres ont été activés par les quatre stimuli de test (30/52 ; Fig. 4D ). Aucun des neurones sélectifs des odeurs des carnivores activés par la 2-phényléthylamine n'a également répondu à la benzylamine (0/1 268). Ensemble, ces données indiquent que la 2-phényléthylamine est détectée par le système olfactif des rongeurs, active plusieurs récepteurs olfactifs et constitue une partie importante d'un mélange d'odeur de lion reconnu par les rongeurs. Surtout, ces données démontrent que les neurones sensoriels olfactifs, comme les neurones voméronasaux montrés précédemment ( 5 , 7 ), ont la capacité de reconnaissance des signaux interspécifiques.
Les rongeurs évitent une source d'odeur de 2-phényléthylamine.
Nous avons ensuite examiné les réponses comportementales des rongeurs à la 2-phényléthylamine. Les rats évitent les urines de prédateurs dans un paradigme de champ ouvert ( 17 ), nous avons donc demandé si la 2-phényléthylamine provoquait une réaction similaire. Les comportements des rats dans une arène de forme carrée ont été enregistrés et analysés après placement des stimuli de test dans un coin pseudo-aléatoire ( Fig. 5A ) . Les animaux n'ont montré aucune préférence spatiale pour aucun coin après avoir été exposés à l'eau, alors que les animaux évitaient activement les coins contenant de l'urine de lion et de coyote. Une réponse d'évitement significative a également été observée pour les coins contenant de la 2-phényléthylamine ( Fig. 5 B et C ) de manière dose-dépendante ( Fig. 5 D), mais pas la benzylamine, une amine hautement apparentée avec des propriétés physiques similaires. Le pourcentage de temps où les rats se trouvaient dans le quadrant des odeurs pendant une exposition de 10 minutes à divers stimuli de test a été mesuré à 26,7 ± 6,8 % pour l'eau, 5,2 ± 1,4 % pour l'urine de lion, 4,6 ± 1,1 % pour l'urine de coyote, 29 ± 7,2 % pour la benzylamine et 8,0 ± 2,0 % pour la 2-phényléthylamine ( Fig. 5C , 12 animaux ± SEM). Ainsi, la 2-phényléthylamine, en l'absence d'autres signaux d'odeur de prédateur, était suffisante pour évoquer un comportement d'évitement chez le rat.
Fig. 5.
L'évitement de la 2-phényléthylamine chez les rats a été associé à des changements aigus des taux circulants de corticostérone, l'hormone du stress. À l'aide d'un test de liaison radioactive compétitif, les taux plasmatiques de corticostérone ont été mesurés ( Fig. 5 E ) après exposition à l'eau (103 ± 16 ng/mL, n = 16), TMT (238 ± 21 ng/mL, n = 16), 2-phényléthylamine (194 ± 18 ng/mL, n = 20) et benzylamine (130 ± 32 ng/mL, n= 8). Les augmentations des taux plasmatiques de corticostérone après une exposition au TMT ou à la 2-phényléthylamine, mais pas à la benzylamine, étaient statistiquement significatives par rapport aux expositions à l'eau. Ainsi, la 2-phényléthylamine active les circuits olfactifs qui fournissent une entrée à l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien qui orchestre les réponses systémiques au stress.
Pour tester la généralité entre les espèces de rongeurs, nous avons évalué les réponses comportementales des souris à la 2-phényléthylamine. Les réponses de Valence aux odeurs ont été mesurées en utilisant une version modifiée d'un test de compartiment à deux choix qui a été établi pour le comportement d'aversion de la souris ( 4 ). Des souris mâles ont été exposées à des stimuli en aérosol délivrés dans un compartiment de test dans une arène autrement sans odeur. Le temps passé dans le compartiment odorant a été mesuré avant et pendant la diffusion de l'odeur, et le changement d'occupation évoqué par l'odeur a été enregistré ( Fig. 5 F ). L'urine femelle, un attractif puissant pour les souris mâles, a augmenté l'occupation du compartiment de test (+102 ± 34,2 %, n = 6), alors que l'eau seule n'a eu aucun effet (−4,0 ± 9,2 %, n = 6). En revanche, TMT (−58,9 ± 11,2 %, n= 7) et la 2-phényléthylamine (−51,3 ± 10,0 %, n = 7) ont diminué l'occupation du compartiment de test. Les souris dépourvues de TrpC2 ont présenté des réponses d'évitement innées similaires à la 2-phényléthylamine (-42, 0 ± 14, 0%, n = 5), ce qui suggère que la signalisation par l'organe voméronasal n'est pas nécessaire. Ces données indiquent que la 2-phényléthylamine est aversive pour les souris, ainsi que pour les rats, et que les schémas de réponse sont conservés chez au moins deux espèces de rongeurs.
La 2-phényléthylamine est nécessaire pour les réponses d'aversion à l'urine de lion.
Nous avons ensuite demandé si la 2-phényléthylamine était nécessaire pour les réponses d'évitement évoquées par l'urine de lion chez le rat. Pour répondre à cette possibilité, nous avons développé une méthode d'appauvrissement en 2-phényléthylamine de l'urine de lion. L'urine de lion (Spécimen 6, Fig. S5 ; 309 μM de 2-phényléthylamine) a été diluée 10 fois et traitée avec de la monoamine oxydase B (MAO-B), une enzyme qui oxyde certaines amines aromatiques avec une préférence de substrat préférée pour la 2-phényléthylamine et la dopamine ( 18 ). Après addition de MAO-B à 10% d'urine de lion, la 2-phényléthylamine était indétectable par HPLC quantitative, avec une limite de détection de 1 μM ( Fig. 6 A et B). Étant donné que la MAO-B pourrait potentiellement oxyder d'autres amines biogènes présentes dans l'urine de lion, nous avons créé un troisième échantillon de test « urine de lion enrichie en PEA », dans lequel la 2-phényléthylamine a été réintroduite aux niveaux physiologiques d'origine après l'inhibition de la MAO-B.
Figure 6.
OUVRIR DANS LE VISUALISEUR
Les réponses d'évitement des rats ont été mesurées à des dilutions de ( i ) urine de lion, ( ii ) "urine de lion appauvrie en PEA" (urine de lion traitée avec MAO-B) et ( iii ) urine de lion enrichie en PEA ( Fig. 6 C). Les rats ont montré un comportement d'évitement significatif à 10% d'urine de lion, mais pas à 10% d'urine de lion appauvrie en PEA. De plus, l'aversion complète a été restaurée à 10 % d'urine de lion enrichie en PEA, ce qui indique que la 2-phényléthylamine est le substrat MAO-B pertinent requis pour la réponse d'évitement complète à l'urine de lion. D'autres substrats MAO-B potentiels, s'ils sont présents, ne sont pas importants pour le comportement d'évitement, car les réponses des rats sont identiques à 10 % d'urine de lion et à 10 % d'urine de lion enrichie en PEA malgré des niveaux différents de ces substrats. De plus, sur la base de cette analyse, la 2-phényléthylamine évoque un comportement d'évitement à des concentrations physiologiques dans le contexte d'autres signaux d'odeur dérivés du lion. Ensemble, nos données fournissent la preuve que la 2-phényléthylamine est un composant clé d'un mélange d'odeurs de carnivore détecté et évité par les rongeurs.
Discussion
Comprendre la base moléculaire de la reconnaissance des odeurs de prédateurs par le système olfactif des rongeurs fournira des outils pour étudier les circuits neuronaux associés au comportement inné.
Ici, nous purifions une odeur de prédateur de l'urine de lynx roux et l'identifions comme étant une amine biogène, la 2-phényléthylamine. Sur la base des données présentées, la 2-phényléthylamine ( i ) est un composant général de nombreuses odeurs de carnivores, ( ii ) active un récepteur olfactif de rongeur dans des cellules hétérologues et de multiples populations de neurones sensoriels olfactifs dans des tranches de tissu, ( iii ) provoque un comportement d'évitement inné chez rats et souris, et ( iv) est un composant requis d'un mélange d'odeur de lion qui évoque des réponses d'aversion. Ensemble, ces données indiquent que la 2-phényléthylamine est une kairomone dérivée d'une odeur de prédateur détectée et évitée par les espèces proies.
Sur la base de notre analyse quantitative de l'aversion évoquée par la 2-phényléthylamine ( Fig. 5 D ), nous considérons qu'il est probable que les réponses comportementales à l'urine de carnivore impliquent la reconnaissance coopérative de plusieurs signaux, dont l'un est la 2-phényléthylamine. Cette notion est cohérente avec les résultats d'imagerie neuronale indiquant que la 2-phényléthylamine est un composant majeur, mais non exclusif, de l'urine de prédateur reconnue par le système olfactif. Par analogie, certaines phéromones de souris favorisant l'agression suscitent des réponses innées lorsqu'elles sont présentées dans le contexte d'un mélange d'odeurs ( 19 ). Il est important de noter que la 2-phényléthylamine est essentielle et contribue à la qualité aversive d'une odeur de carnivore, car l'urine de lion appauvrie en ce produit chimique ne provoque pas de réponse d'évitement significative.
L'augmentation de la production de 2-phényléthylamine pourrait refléter des différences métaboliques ou alimentaires dans l'ordre des carnivores. La 2-phényléthylamine est un métabolite de la phénylalanine, un acide aminé essentiel présent dans les protéines alimentaires ( 20). Un modèle attrayant pour expliquer nos données est que des niveaux élevés de protéines alimentaires chez les espèces carnivores conduisent directement à des niveaux accrus de 2-phényléthylamine dans l'urine. Cependant, la manipulation des niveaux de protéines dans le régime alimentaire de la souris et du rat n'a eu aucun effet sur les niveaux inférieurs de production de 2-phényléthylamine chez ces espèces. Ce résultat n'exclut pas que la manipulation des niveaux de protéines chez les espèces carnivores puisse affecter la production de 2-phényléthylamine. Alternativement, la production accrue de 2-phényléthylamine chez les carnivores pourrait s'expliquer par des différences d'ordre particulier dans l'utilisation et le métabolisme de la phénylalanine plutôt que par les niveaux consommés dans l'alimentation. Enfin, il est également possible que la 2-phényléthylamine soit libérée par certains carnivores sous forme d'odeur dans les marques olfactives impliquées dans le comportement social.
Les récepteurs olfactifs qui activent les circuits neuronaux câblés sous-jacents à l'évitement de la 2-phényléthylamine sont inconnus. TAAR4 est un excellent candidat pour fonctionner comme récepteur de kairomone, bien que basé sur l'imagerie de la population, d'autres récepteurs olfactifs contribuent à la reconnaissance de la 2-phényléthylamine. Un rôle pour les récepteurs voméronasaux est peu probable car les souris knock-out TrpC2 évitent toujours la 2-phényléthylamine. Conformément à cette observation, les réponses d'évitement à une urine de carnivore sont supprimées chez des souris dépourvues de fonction dans l'épithélium olfactif dorsal ( 4 ), ce qui indique que cette réponse d'urine de carnivore est distincte de certaines autres réponses d'odeur de prédateur ( 5 , 7 ).) en nécessitant une signalisation olfactive principale plutôt que voméronasale. Les rats évitaient activement la 2-phényléthylamine mais pas la benzylamine, ce qui suggère que l'évitement inné que nous avons observé était dû à l'activation d'un récepteur olfactif capable de distinguer efficacement ces amines hautement apparentées. Sur la base des données d'imagerie calcique ( Fig. 4 ), ≈ 1% des neurones sensoriels olfactifs dorsaux sont activés par la 2-phényléthylamine mais pas par la benzylamine. Les humains, qui n'ont pas d'orthologue TAAR4 ( 21), perçoivent la 2-phényléthylamine non diluée comme une odeur légèrement désagréable. Les rats et les souris pourraient détecter la 2-phényléthylamine avec une sensibilité et une sélectivité plus élevées que les humains et, peut-être, afficher des réponses comportementales distinctes à ce produit chimique. Les résultats présentés ici fournissent une base pour de futures expériences visant à sonder les réponses d'aversion chez des souris génétiquement modifiées dépourvues de TAAR4 ou d'autres gènes clés exprimés dans les circuits olfactifs périphériques ou les régions limbiques centrales du cerveau.
Il est intéressant de noter que plusieurs ligands TAAR sont des odeurs très aversives. La triméthylamine active TAAR5, et bien que les réponses comportementales des souris à ce signal ne soient pas caractérisées, il s'agit d'une odeur répugnante pour l'homme associée à une contamination bactérienne, une mauvaise haleine et une maladie ( 22 ). L'isoamylamine active TAAR3 et, bien que supposée être une phéromone de souris qui influence la physiologie de la reproduction ( 23 ), il a également été démontré qu'elle était une odeur aversive pour les souris ( 4 ). De plus, nous montrons ici que TAAR4 détecte un signal enrichi en odeur de prédateur qui repousse les rongeurs.
Deux modèles distincts, qui ne s'excluent pas mutuellement, pourraient expliquer comment les rongeurs détectent et évitent les odeurs divergentes des prédateurs. Un modèle impliquerait une myriade de constituants distincts des odeurs de prédateurs, chacun étant produit avec une grande sélectivité des espèces et des tissus, et chacun activant des circuits olfactifs distincts qui déclenchent un comportement défensif inné. Les odeurs de prédateurs spécifiques à l'espèce pourraient être particulièrement pertinentes dans les relations prédateur-proie avec une longue histoire évolutive. Un deuxième modèle impliquerait la détection de signaux couramment produits par de nombreux prédateurs, tels que la 2-phényléthylamine, qui offrent aux animaux la capacité d'éviter des espèces nouvelles et dangereuses jamais rencontrées auparavant, un avantage évolutif.
Les relations prédateur-proie fournissent un paradigme puissant pour comprendre la base neuronale du comportement instinctif. L'évitement de la 2-phényléthylamine illustre comment un seul produit chimique volatil détecté dans l'environnement peut entraîner une réponse comportementale élaborée chez les mammifères par l'activation du système olfactif.
Matériaux et méthodes
Les détails des matériaux et des méthodes utilisés sont donnés dans SI Matériaux et Méthodes . Les méthodes décrites comprennent la collecte d'échantillons, les tests fonctionnels TAAR, la préparation, le fractionnement et la MS des extraits d'urine, l'analyse quantitative LC/MS, l'imagerie confocale du calcium, la modulation des niveaux de 2-phényléthylamine dans l'odeur des prédateurs, les mesures de la corticostérone et les tests comportementaux.
Remerciements
Nous remercions Jon Clardy et Dong-Chan Oh pour leur aide avec la LC/MS quantitative, Steven Gygi et Wilhelm Haas pour leur aide avec la SEP, Richard Axel pour avoir généreusement fourni des souris knock-out TrpC2, Gholamreza Rahmanzadeh pour son aide avec les mesures de corticostérone, et le Franklin Park Zoo, Stone Zoo, Great Plains Zoo et Capron Park Zoo pour avoir fourni des échantillons d'urine.
Ce travail a été soutenu par l'Institut national sur la surdité et d'autres troubles de la communication Grant R01DC010155 (à SDL) et Deutsche Forschungsgemeinschaft Grant SP724/2-1 (à MS). MS est professeur Lichtenberg de la Fondation Volkswagen. DMF est soutenu par une bourse de doctorat du Fonds Boehringer Ingelheim.
Le soutien financier de SRD a été fourni par un prix de carrière dans les sciences médicales du Burroughs Wellcome Fund et un directeur du NIH.
Références
1
R Apfelbach, CD Blanchard, RJ Blanchard, RA Hayes, IS McGregor, Les effets des odeurs de prédateurs sur les espèces de proies de mammifères : un examen des études sur le terrain et en laboratoire. Neurosci Biobehav Rev 29 , 1123–1144 (2005).
2
BV Burger, Sémiochimie des mammifères. Top Curr Chem 240 , 231-278 (2005).
3
M Fendt, T Endres, CA Lowry, R Apfelbach, IS McGregor, les changements autonomes et comportementaux induits par la TMT et la base neurale de son traitement. Neurosci Biobehav Rev 29 , 1145–1156 (2005).
4
K Kobayakawa, et al., Traitement des odeurs innées versus apprises dans le bulbe olfactif de la souris. Nature 450 , 503–508 (2007).
5
F Papes, DW Logan, L Stowers, L'organe voméronasal médie les comportements défensifs interspécifiques grâce à la détection d'homologues de phéromones protéiques. Cellule 141 , 692–703 (2010).
6
F Berton, E Vogel, C Belzung, Modulation de l'anxiété des souris en réponse à l'odeur de chat en conséquence du régime alimentaire des prédateurs. Physiol Behav 65 , 247-254 (1998).
7
Y Ben-Shaul, LC Katz, R Mooney, C Dulac, La stimulation voméronasale in vivo révèle l'encodage sensoriel des signaux conspécifiques et allospécifiques par le bulbe olfactif accessoire de la souris. Proc Natl Acad Sci USA 107 , 5172–5177 (2010).
8
BG Leypold, et al., Comportements sexuels et sociaux modifiés chez des souris mutantes trp2. Proc Natl Acad Sci USA 99 , 6376–6381 (2002).
9
L Stowers, TE Holy, M Meister, C Dulac, G Koentges, Perte de discrimination sexuelle et agression mâle-mâle chez des souris déficientes en TRP2. Sciences 295 , 1493–1500 (2002).
10
SD Liberles, LB Buck, Une deuxième classe de récepteurs chimiosensoriels dans l'épithélium olfactif. Nature 442 , 645-650 (2006).
11
B Malnic, J Hirono, T Sato, LB Buck, Codes récepteurs combinatoires pour les odeurs. Cellule 96 , 713-723 (1999).
12
J He, L Ma, S Kim, J Nakai, CR Yu, Encodage des informations de genre et individuelles dans l'organe voméronasal de la souris. Sciences 320 , 535–538 (2008).
13
T Leinders-Zufall, et al., peptides du CMH de classe I en tant que signaux chimiosensoriels dans l'organe voméronasal. Sciences 306 , 1033-1037 (2004).
14
T Leinders-Zufall, et al., Détection ultrasensible des phéromones par les neurones voméronasaux de mammifères. Nature 405 , 792-796 (2000).
15
M Spehr, et al., Rôle essentiel du système olfactif principal dans la reconnaissance sociale des ligands peptidiques du complexe majeur d'histocompatibilité. J Neurosci 26 , 1961-1970 (2006).
16
Y Ben-Chaim, MM Cheng, KW Yau, Réponse unitaire des neurones récepteurs olfactifs de souris. Proc Natl Acad Sci USA 108 , 822–827 (2011).
17
M Fendt, L'exposition à l'urine des canidés et des félidés, mais pas des herbivores, induit un comportement défensif chez les rats de laboratoire. J Chem Ecol 32 , 2617-2627 (2006).
18
J Grimsby, et al., Augmentation de la réponse au stress et de la bêta-phényléthylamine chez des souris déficientes en MAOB. Nat Genet 17 , 206-210 (1997).
19
M Novotny, S Harvey, B Jemiolo, J Alberts, Phéromones synthétiques qui favorisent l'agression inter-mâle chez la souris. Proc Natl Acad Sci USA 82 , 2059–2061 (1985).
20
S Kaufman, Un modèle de métabolisme de la phénylalanine humaine chez des sujets normaux et chez des patients phénylcétonuriques. Proc Natl Acad Sci USA 96 , 3160–3164 (1999).
21
L Lindemann et al., Les récepteurs associés aux amines traces forment des sous-familles structurellement et fonctionnellement distinctes de nouveaux récepteurs couplés aux protéines G. Génomique 85 , 372–385 (2005).
22
SC Mitchell, RL Smith, Trimethylaminuria : Le syndrome de mauvaise odeur de poisson. Médicament Metab Dispos 29 , 517–521 (2001).
23
K Nishimura, K Utsumi, M Yuhara, Y Fujitani, A Iritani, Identification des phéromones accélérant la puberté dans l'urine de souris mâle. J Exp Zool 251 , 300–305 (1989).
24
D Krautwurst, KW Yau, RR Reed, Identification de ligands pour les récepteurs olfactifs par expression fonctionnelle d'une bibliothèque de récepteurs. Cellule 95 , 917-926 (1998).
E.CLos-clôtures électriques-protection des troupeaux-contention du bétail-faune sauvage-gestion de l'espace rural-protection cultures-forêts-exploitation-estives-alpage-Robert-Wojciechowski-clôtures-loups-ours-lynx-sangliers-prédateurs-effarouchements-clôtures high tensile-fils lisses-techniques de pose-mode emploi clôtures électriques
rw 05/23-10/23
Aucun commentaire:
Enregistrer un commentaire