Mw. K.A. Pfannkuche: Exploring different pathways for testosterone mediated maternal effects

Promotie: mw. K.A. Pfannkuche, 12.45 uur, Academiegebouw, Broerstraat 5, Groningen

Proefschrift: Exploring different pathways for testosterone mediated maternal effects

Promotor(s): prof.dr. A.G.G. Groothuis

Faculteit: Wiskunde en Natuurwetenschappen

Effecten van maternaal testosteron op hersenlateralisatie nakomelingen

Het proefschrift van Kristina Pfannkuche behandelt de effecten van maternaal testosteron en hoe die het gedrag en het brein van de nakomelingen beïnvloeden. Het meeste onderzoek in dit veld richt zich op de functie en evolutie en meldt vele effecten in het gedrag en de fysiologie van nakomelingen. De onderliggende mechanismen daarentegen zijn onderbelicht gebleven. Twee potentiële routes zijn door Pfannkuche onderzocht: hersenlateralisatie en de hypothalamus-hypofyse-gonaden (HHG) as.

Hersenlateralisatie behelst de specialisatie van elke hersenhelft in verschillende taken en functies. Het is een fundamenteel organisatorisch principe in de hersenen van gewervelden (en sommige ongewervelden) en staat daardoor een experimentele benadering in dieren toe. Omdat er een consistent verschil in hersenlateralisatie tussen de geslachten is aangetoond in verschillende soorten, heeft men voorgesteld dat postnatale blootstelling aan androgenen lateralisatie beïnvloedt. En omdat hersenlateralisatie en maternale androgenen een breed scala aan functies in individuen beïnvloeden, onderzocht Pfannkuche of de effecten van maternale hormonen mogelijk zijn veroorzaakt door hun effecten op hersenlateralisatie.

Ondanks dat is aangetoond dat zowel maternale androgenen als lateralisatie een groot scala aan eigenschappen in individuen kunnen beïnvloeden, gelooft Pfannkuche dat de effecten van maternale hormonen op lateralisatie marginaal zijn, in ieder geval in vogels. Het wordt verondersteld dat maternale androgenen de ontwikkeling van nakomelingen dusdanig beïnvloeden dat deze nakomelingen een voordeel zouden hebben in de dan geldende omstandigheden en daarbij de fitness van de moeder vergroten. Zelfs in het geval dat maternale androgenen in staat zouden zijn om lateralisatie in kippen te beïnvloeden, zijn ecologisch relevantere testen nodig om te kunnen beoordelen wat de evolutionaire voordelen voor individuen zouden kunnen zijn. Ook zouden de effecten van oestradiol uitgebreider moeten worden getest in vogels. Aangezien seksuele differentiatie in vogels afhankelijk is van oestradiol zou een behandeling met oestradiol binnen de fysiologische grenzen de geslachtsverschillen kunnen vergroten.

Kristina Pfannkuche (Duitsland, 1981) studeerde biologie aan de universiteit van Bielefeld. Haar promotieonderzoek deed zij aan de RUG, bij de vakgroep Gedragsbiologie. Het werd mede gefinancierd door NWO. Inmiddels werkt zij als Clinical Research Associate bij ICON Clinical Research.

The thesis of Kristina Pfannkuche concerns the effects of maternal testosterone and how these are mediated. Two potential pathways are investigated, brain lateralization and the hypothalamic-pituitary-gonadal (HPG) axis.

Pfannkuche showed for the first time that maternal testosterone affects the endogenous testosterone production of young birds and that the expression of androgen receptor mRNA is affected by elevated prenatal testosterone levels. In addition, it has never been shown before, that young chicken show competitive behavior and that this behavior is androgen dependent. Probably as most researchers assume that young precocial birds do not show competitive behavior as they do not rely on parental provisioning.

Previous studies on the effects of androgens on lateralization manipulated testosterone levels in later embryonic stages or used pharmacological dosages. Both does not reflect natural variations of prenatal testosterone levels and the study of Pfannkuche is the first to manipulate maternal testosterone levels within the natural range.

Pfannkuche used a meta-analytic and semi-quantitative approach. Her results supported a consistent sex differences in the direction of lateralization, but not whether sex differences are due to prenatal testosterone.

The domestic chicken proved to be an excellent model for this thesis. In contrast to earlier studies Pfannkuche did not only focus on young chicks, but followed individuals into adulthood, testing the consistency of lateralization and analyzing differences in phenotypic traits. Prenatal testosterone however had no effects on the lateralization of young or adult birds.

Elevated maternal testosterone did not affect lateralization, but Pfannkuche did find effects on competitive behaviour of young chicks and phenotypic traits in adult birds. She found in both age classes a feminizing effect. In the young chicken, male behavior shifted towards females and in adult males, maternal testosterone shifted phenotypic traits towards female like findings. She predicted that maternal testosterone may affect the HPG-axis by suppressing either testosterone production or androgen receptor densities or both and thereby mediate the found effects.

In line with the previously found feminizing effect, elevated maternal testosterone levels lowered the endogenous testosterone production and the AR mRNA expression in the hypothalamus in young chicken. Two hypotheses could explain these findings. Exposure to high prenatal testosterone might induce a postnatal overcompensation or autoregulatory processes are the underlying mechanism.

Next, Pfannkuche analyzed blood samples and brains of chicken embryos shortly before hatching. Her results undermined the autoregulation hypothesis in favor of the overcompensation hypothesis. Although overall male and female embryos did not differ in the expression levels of AR mRNA, within males, testosterone treated individuals showed decreased AR mRNA expression whereas females were not affected.