Single gene controls fish brain size and intelligence

24 June 2015

A single gene called Angiopoietin-1 (Ang-1) drives brain size and intelligence in fish according to a new study by researchers at UCL, Stockholm University and University of Helsinki. Fish with larger brains and higher intelligence had higher expression of Ang-1, and when expression levels of Ang-1 were experimentally reduced, brains shrunk. These trends were seen in two unrelated species of fish – guppies (Poecilia reticulata) and zebra fish (Danio rerio) – indicating expression of Ang-1 is important for brain growth and development in fish generally.

Ein einzelnes Gen namens Angiopoietin-1 (Ang-1) ist entsprechend einer neuen Studie von Forschern an der UCL, Stockholm University und University of Helsinki, verantwortlich für die Gehirngröße und Intelligenz bei Fischen.
Fische mit größeren Gehirnen und höherer Intelligenz hatten eine höhere Expression von Ang-1, und wenn die Expressions-Level von Ang-1 experimentell reduziert wurden, schrumpften die Gehirne - diese Trends wurden bei zwei nicht verwandten Fischarten entdeckt - bei Guppys (Poecilia reticulata) und Zebrafischen (Danio rerio) - was anzeigt, das die Expression von Ang-1 in der Regel wichtig für Wachstum und Entwicklung des Gehirns bei Fischen ist.

The study, published today in Proceedings of the Royal Society B, identified the underlying genetics of natural variation in brain size and cognitive abilities in fish. Ang-1 could play an important role in the brain development of other vertebrates, including humans, but future research is required to establish this say the scientists involved. Populations of guppies selected for either large or small brains, with associated differences in intelligence, were used for the first step in the study which was a complete genome analysis of differently expressed genes. There was a 10% difference in brain size between the large and small-brain guppies and from the genetic analysis, Ang-1 was identified as the only gene expressed at different levels in each replicate population.


Die Studie, heute veröffentlicht bei Proceedings of the Royal Society B, ermittelt die zugrunde liegende Genetik der natürlichen Variation der Größe des Gehirns und der kognitiven Fähigkeiten bei Fischen. Ang-1 könnte eine wichtige Rolle in der Entwicklung des Gehirns von anderen Wirbeltieren, einschließlich das des Menschens spielen, aber zukünftige Forschung ist erforderlich, um dies festzustellen, sagen die beteiligten Wissenschaftler. Populationen von Guppys mit entweder großen oder kleinen Gehirnen wurden ausgewählt, mit den damit verbundenen Unterschieden der Intelligenz, wurden für den ersten Schritt in der Untersuchung verwendet, die eine komplette Genomanalyse von unterschiedlich exprimierten Genen darstellte. Es gab eine Differenz von 10% des Gehirnvolumens zwischen den großen und kleinen Hirnen der Guppys und bei der genetischen Analyse wurde Ang-1 als das einzige Gen identifiziert, das auf verschiedenen Ebenen in jeder Wiederholungs-Population vorgefunden wurde wurde.

Further experiments in zebra fish by collaborator Professor Pertti Panula at Helsinki University confirmed that Ang-1 is a driver for brain size. Given the complexity of the brain, we expected that the genetics would be very intricate, but this suggests that changes in brain size are underpinned by relatively simple genetic mechanisms. Professor Judith Mank Professor Judith Mank, UCL Biosciences, said: “We were surprised to see that only a single gene was up-regulated in the large-brained guppies. Given the complexity of the brain, we expected that the genetics would be very intricate, but this suggests that changes in brain size are underpinned by relatively simple genetic mechanisms.”

Weitere Experimente bheim Zebrafisch durch Mitarbeiter Professor Pertti Panula an der Universität Helsinki, bestätigten, dass Ang-1 ein Förderer für die Größe des Gehirns ist. Angesichts der Komplexität des Gehirns, erwarteten wir, dass die Genetik sehr kompliziert wäre, aber das legt nahe, dass Veränderungen in der Größe des Gehirns durch relativ einfache genetische Mechanismen untermauert werden. Professor Judith Mank Professor Judith Mank, UCL Biosciences, sagte: "Wir waren überrascht zu sehen, dass nur ein einziges Gen bei den großen Hirnen von Guppys hochreguliert wurde[/ b]. Angesichts der Komplexität des Gehirns erwarteten wir, dass die Genetik sehr kompliziert wäre, aber das legt nahe, dass Veränderungen in der Größe des Gehirns durch relativ einfachen genetischen Mechanismen untermauert werden. "


The protein encoded by Ang-1 is known to play an important role in growing new blood vessels and forming new brain cells in mice, which may indicate an important role of Ang-1 in brain growth of other animals, even in humans, say the scientists behind the study. Dr Niclas Kolm, Stockholm University, said: “Other genes may be involved in brain growth in young, developing fish but no other genes were found to vary in their expression in adult fish other than Ang-1.

Das von Ang-1 codierte Protein ist dafür bekannt, eine wichtige Rolle bei wachsenden neuen Blutgefäßen und der Bildung neuer Gehirnzellen bei Mäusen zu spielen, was auf eine wichtige Rolle von Ang-1 beim Gehirnwachstum anderer Tiere , auch bei Menschen, hinweisen kann; sagte der Forscher der Studie.
Dr. Niclas Kolm, Stockholm University, sagte: "Andere Gene könnten beim Gehirnwachstum von jungen, sich entwickelnden Fischen beteiligt sein, aber es wurden keine anderen Gene als Ang-1 gefunden, die bei ihrer Ausprägung variierten.

Future studies will aim to investigate the role of Ang-1 and possibly other genes in the formation of differently sized brains in developing embryos”.[b] Professor Mank added: “We don’t yet know if Ang-1 is important in human brain development – it isn’t on the list of genes typically studied in relation to human brain size – but as it plays a role in forming new blood vessels in humans, there may be a connection as large brains need a bigger blood supply, particularly during growth and for many brain functions. This presents us with an exciting opportunity to investigate the role of Ang-1 across different vertebrates.”

Zukünftige Studien werden darauf abzielen, die Rolle von Ang-1 und möglicherweise auch anderer Gene, die bei der Bildung von unterschiedlich großen Gehirn bei der Entwicklung von Embryonen mitwirken, zu untersuchen "
Professor Mank fügte hinzu:" Wir wissen noch nicht, ob Ang-1 bei der menschlichen Entwicklung des Gehirns wichtig ist - es stehtt nicht auf der Liste der Gene, die in der Regel in Bezug auf die menschliche Gehirngröße studiert werden - aber da es eine wichtige Rolle bei der Bildung neuer Blutgefäße beiMenschen spielt, kann es eine Verbindung gebenn, da große Gehirne einen größeren Blutversorgung brauchen, insbesonders während des Wachstums und für viele Gehirnfunktionen. Dies bietet uns eine spannende Gelegenheit, die Rolle von Ang-1 bei verschiedenen Wirbeltieren zu untersuchen. "

The team now plans to study the age-specific genetic architecture of both brain structure and function based on new artificial selection experiments in the guppy. The work was kindly funded by the European Research Council, the Swedish Research Council, the Austrian Science Fund, Academy of Finland and the Sigrid Juselius Foundation.

Das Team plant nun, die altersspezifische genetische Architektur der beiden Gehirnstrukturn und -funktionen auf der Grundlage neuer künstlicher Selektionsexperimente bein Guppy zu untersuchen. Die Arbeit wurde freundlicherweise vom Europäischen Forschungsrates, der schwedischen Research Council der Wissenschaftsfonds, dem österreichischem Wissenschaftsfonds, der Akademie von Finnland und der Sigrid Juselius Foundation unterstützt.


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