Behavioral evolution relies on genetic changes, yet few social behaviors can be traced to specific genetic sequences in vertebrates. Here, we show experimental evidence that differentiation of a single gene has contributed to divergent behavioral phenotypes in the white-throated sparrow, a common North American songbird. In this species, one of two alleles of ESR1 , encoding estrogen receptor α (ERα), has been captured inside a differentiating supergene that segregates with an aggressive phenotype, such that ESR1 expression predicts aggression. Here, we show that the aggressive phenotype associated with the supergene is prevented by ESR1 knockdown in a single brain region. Next, we show that in a free-living population, aggression is predicted by allelic imbalance favoring the supergene allele. Cis -regulatory variation between the two alleles affects transcription factor binding sites, DNA methylation, and rates of transcription. This work provides a rare illustration of how genotypic divergence has led to behavioral phenotypic divergence in a vertebrate.

ABSTRACT Tonic TCR signaling occurs constitutively in response to self-peptides presented by MHC (pMHC). Tonic TCR signal intensity correlates with Nur77-GFP reporter transgene expression. A broad range of Nur77-GFP is first detectable in post-selection thymocytes and persists in mature T cells. Nur77-GFP HI Ly6C − CD4 + T cells experience the strongest tonic TCR signaling and exhibit functional hypo-responsiveness to foreign pMHC stimulation. Gene expression analyses suggest similarities between the programs induced by strong tonic TCR signaling and T cell activation. However, the strongest tonic TCR signals also appear to induce expression of negative regulators, including coinhibitory receptors. Analysis of chromatin accessibility similarly suggest that strong tonic TCR signaling correlates with differentially higher accessibility of over 3000 chromatin regions in or near genes that encode positive and negative regulators of T cell activation. We propose that very strong tonic TCR signaling induces mechanisms of negative feedback to recalibrate T cell sensitivity.

Abstract The cumulative effects of T cell receptor (TCR) signal transduction over extended periods of time influences T cell biology, such as the positive selection of immature thymocytes or the proliferative responses of naive T cells. Naive T cells experience recurrent TCR signaling in response to self-antigens in the steady state. However, how these signals influence the responsiveness of naive CD8 + T cells to subsequent agonist TCR stimulation remains incompletely understood. We investigated how naive CD8 + T cells that experienced relatively low or high levels of TCR signaling in response to self-antigens respond to stimulation with foreign antigens. A transcriptional reporter of Nr4a1 (Nur77-GFP) revealed substantial heterogeneity of the amount of TCR signaling naive CD8 + T cells accumulate in the steady state. Nur77-GFP HI cells exhibited diminished T cell activation and secretion of IFNγ and IL-2 relative to Nur77-GFP LO cells in response to agonist TCR stimulation. Differential gene expression analyses revealed upregulation of genes associated with acutely stimulated T cells in Nur77-GFP HI cells but also increased expression of negative regulators such as the phosphatase Sts1. Responsiveness of Nur77-GFP HI cells to TCR stimulation was partially restored at the level of IFNγ secretion by deficiency of Sts1 or the ubiquitin ligase Cbl-b. Our data suggest that extensive accumulation of TCR signaling during steady state conditions induces a recalibration of the responsiveness of naive CD8 + T cells through gene expression changes and negative regulation, at least in part, dependent on Sts1 and Cbl-b. This cell-intrinsic negative feedback loop may allow the immune system to limit the autoreactive potential of highly self-reactive naive CD8 + T cells.