Paternal epigenetic response to heat

What is it about?

The article in the New Scientist https://www.newscientist.com/article/dn28733-guinea-pigs-beat-climate-change-by-tweaking-their-own-dna/ and the following Press release nicley explain in plain english (and below in german) what our publication is about Like father like son: Increased ambient temperatures lead to epigenetic modifications in exposed wild guinea pigs which can even be transmitted to the next generation Fathers are able to adjust to increasing temperatures within their own lifetime and do transmit this information to their offspring. This has now been shown for the first time in a wild animal. The findings were the result of a project within the Joint Initiative for Research and Innovation and have been published in the scientific journal “Molecular Ecology”. Male wild guinea pigs respond to increasing temperatures with biochemical modifications attached to their genome and pass this “epigenetic” information to the next generation, and most likely even the following one. In order to study their response to changing environmental conditions, male wild guinea pigs were kept for two months at an ambient temperature raised by ten degrees. It was subsequently examined whether any biochemical changes had occurred in the genome (DNA) of their liver in result of that heat treatment sons sired by the males before and after the rise in temperature were also examined for such possible biochemical changes of the genome of their liver and also in the genomes of their testicles. The joint scientists team from the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research (IZW), the Berlin Center for Genomics in Biodiversity Research (BeGenDiv) and the Californian company Zymo Research detected significant differences in the methylation of the DNA (a biochemical modification of the genome) of the wild guinea pigs when comparing the genomes prior to and after exposure to increased temperatures. These differences were especially found in genes encoding proteins responsible for protection against heat damage. The magic word which describes this process is “epigenetics” (Greek: epi = upon, over, above; genetics = study of heredity) – a molecular mechanism which regulates the switching-on of genes in response to environmental changes without changing the sequence of the DNA’s building blocks. „We believe that the transfer of epigenetic information from father to sons prepares the latter for changes in environmental conditions such as a rise in temperature. This is particularly important with regards to a possible adaptive response to climate change. Epigenetic mechanisms could therefore be crucial for the fitness and survival of the offspring,” says Alexandra Weyrich, researcher at the IZW. As the mother-child relationship in mammals during and after pregnancy is particularly intense, previous research focused mainly on the transfer of maternal epigenetic information. “However, in most wild mammal species, including wild guinea pigs, it is the males who leave their ancestral habitats and quickly adjust to varying environmental conditions such as temperatures during the search for females and new territories,” explains Weyrich. The rapid adjustment to environmental changes is, among other things, possible through epigenetic modifications such as the methylation or demethylation of the DNA. Unlike the “genetic code” (the sequence of the DNA’s building blocks), epigenetic modifications are flexible and can therefore be used as a “switch” in response to environmental changes. The new findings show that some of these acquired epigenetic modifications can be robust enough to be passed onto offspring. The current study shows that fathers pass on epigenetic changes in their DNA to their sons. Pressemitteilung Wie der Vater so der Sohn: Die Erfahrung gestiegener Außentemperaturen wird bei Wildmeerschweinchen als epigenetischer Effekt an die nächste Generation weitergegeben Väter sind in der Lage, ihre internen Stoffwechselabläufe an gestiegene Temperaturen anzupassen und diese Erfahrung unmittelbar an ihre Nachkommen weitergeben. Das wurde jetzt erstmalig bei einem Wildtier nachgewiesen. Diese Ergebnisse sind im Rahmen eines Projektes des Paktes für Forschung und Innovation entstanden und wurden in der Fachzeitschrift „Molecular Ecology“ veröffentlicht. Männliche Wildmeerschweinchen reagieren auf gestiegene Temperaturen mit biochemischen Modifizierungen an ihrem Erbgut, ohne dabei die Sequenz der Erbinformation zu ändern, und geben Teile dieser „epigenetischen“ Information direkt an die nächste und höchstwahrscheinlich sogar an die übernächste Generation weiter. Um die physiologische Antwort männlicher Wildtiere an veränderte Umweltbedingungen zu erforschen, wurden männliche Wildmeerschweinchen für zwei Monate bei einer um zehn Grad erhöhten Umgebungstemperatur gehalten. Anschließend wurde untersucht, ob es zu biochemischen Änderungen am Erbgut (DNS) der Leber kam. Die von den Vatertieren vor und nach der Wärmebehandlung gezeugten Söhne wurden ebenfalls auf mögliche biochemische Veränderungen am Erbgut der Leber und zusätzlich an dem der Hoden untersucht. Wie die Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (IZW), des Berliner Zentrums für Genomik in der Biodiversitätsforschung (BeGenDiv) und der kalifornischen Firma Zymo Research zeigen konnten, traten nach der Haltung bei erhöhter Temperatur deutliche Unterschiede in der Methylierung der DNS auf. Diese Unterschiede betrafen insbesondere Gene, die die Information für Eiweißmoleküle zum Schutz vor Hitze tragen. Das diesen Prozess beschreibende Zauberwort heißt „Epigenetik“ (griech. epi = (dar)auf, darüber; Genetik: Lehre von der Vererbung) – ein molekularer Mechanismus, der durch Modifizierung des Erbgutes das An- und Abschalten von Genen als Reaktion auf sich verändernde Umweltfaktoren reguliert, ohne dabei die Reihenfolge der Bausteine des Erbgutes (also die im Erbgut enthaltene Information) zu verändern. „Wir glauben, dass die väterliche Weitergabe epigenetischer Informationen dessen Söhne auf den Umgang mit veränderten Temperaturen vorbereitet. Diese im Verlauf der Evolution entstandene Fähigkeit könnte angesichts des Klimawandels an Bedeutung zunehmen. Epigenetische Mechanismen könnten daher entscheidend für die Fitness und das Überleben der Nachkommen sein“, sagt Alexandra Weyrich, Wissenschaftlerin am IZW. Aufgrund des bei Säugetieren sehr intensiven Mutter-Kind-Verhältnisses während und nach der Schwangerschaft lag der bisherige Fokus der Forschung auf der Weitergabe mütterlicher epigenetischer Informationen. „Bei den meisten wild lebenden Säugetierarten, wie auch bei den hier untersuchten Wildmeerschweinchen, sind die Männchen jedoch diejenigen, die ihren angestammten Lebensraum verlassen und sich auf der Suche nach Weibchen und neuen Revieren schnell an sich ändernde Umweltbedingungen wie erhöhte Temperaturen anpassen müssen“, erklärt Weyrich. Die schnelle Anpassung an veränderte Umweltbedingungen ist unter anderem durch epigenetische Modifizierung, wie z. B. der hier untersuchten Methylierung und Demethylierung der DNS möglich. Im Gegensatz zum eigentlichen „genetischen Code“ (der Reihenfolge der Bausteine des Erbgutes), sind „epigenetische“ Modifikationen flexibel und können somit in Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen als „Schalter“ genutzt werden. Die neuen Erkenntnisse zeigen, dass diese erworbenen epigenetischen Modifikationen so stabil sein können, dass einige von ihnen sogar an die Nachkommen weitergegeben werden. In der aktuellen Studie konnte bei Wildmeerschweinchen nachgewiesen werden, dass Väter epigenetische Veränderungen der eigenen DNS an Söhne weitergeben.

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