Behavioral expression of emotions and non-invasive assessment of physiological correlates in dogs (Canis familiaris)

The aim of this thesis was to validate the use of infrared thermography (IRT) to non-invasively measure emotional reactions to different situations in pet dogs (Canis familiaris). A preliminary test, aimed to evaluate the correlation between eye-temperature and rectal temperature in dog, was performed. Then, in three different situations, negative (veterinary visit), positive (palatable food rewards), and mildly stressing followed by mildly positive (separation from and reunion with the owner), variations in heat emitted from lacrimal caruncle (referred to as eye temperature) were measured with an infrared thermographic camera. In addition, heart rate and heart rate variability parameters were collected using a non-invasive heart rate monitor designed for human use and validated on dogs. All experiments were video recorded to allow behavioral coding. During the negative situation dogs’ level of activity and stress related behaviors varied across compared to the baseline and dogs showed an increase in eye temperature despite having a significant decrease in the level of activity. The positive situation was characterized by a peak in eye temperature and mean HR and dogs engaged in behaviors indicating a positive arousal, focusing on food treats and tail wagging but there were not variations in HRV during stimulation but only an increment in SDNN immediately after the stimulus. In the separation from and reunion with the owner dogs’ eye temperature and mean HR did not vary neither in the stressful nor in the positive situations, RMSSD increased after the positive episode, SDNN dropped during the two stimulations and it increased after the stimulations. During the separation from the owner dogs were mainly directed to the door or to the experimenter while during the reunion with the owner dogs were focused mainly on the owner and on the environment, exhibiting safe base effect. A different approach was used to assess the welfare of shelter dogs. Dogs were implanted with a telemeter and after implantation dogs were housed in sequence in four different situations lasting 1 week: alone, alone with toys and a stretch cot for sleeping, with an unknown, spayed, female, and alone with a daily 2-hours interaction with an experimenter. Two different approaches were tried: partially random extracted fragments from every week, behaviors from 8 a.m. to 4 p.m. were continuous during baseline and the female situation. Results showed different reactions by dogs to the different situations and interestingly not all enrichments were enjoyed by the dogs improving their welfare. Overall results suggest that IRT may represent a useful tool to investigate emotional reactions in dogs. Nevertheless, further research is needed to establish the specificity and sensivity of IRT in this context and to assess how different dogs’ characteristics, breed, previous experience and the valence and arousal elicited by the stimulus could influence the magnitude and type of the response. The role of HRV in understanding emotional valence and the one of telemeters in understanding long-term effects on sheltered dogs’ welfare is also discussed.

Biochemical characterization and DNA binding properties of the MocR family member GabR, a PLP-dependent transcription factor

GabR è un fattore di trascrizione chimerico appartenente alla famiglia dei MocR/GabR, costituito da un dominio N-terminale elica-giro-elica di legame al DNA e un dominio effettore e/o di oligomerizzazione al C-terminale. I due domini sono connessi da un linker flessibile di 29 aminoacidi. Il dominio C-terminale è strutturalmente omologo agli enzimi aminotransferasici fold-type I, i quali, utilizzando il piridossal-5’-fosfato (PLP) come cofattore, sono direttamente coinvolti nel metabolismo degli aminoacidi. L’interazione contemporanea di PLP e acido γ-aminobutirrico (GABA) a GabR fa sì che questa promuova la trascrizione di due geni, gabT e gabD, implicati nel metabolismo del GABA. GabR cristallizza come un omodimero con una configurazione testa-coda. Il legame con la regione promotrice gabTD avviene attraverso il riconoscimento specifico di due sequenze dirette e ripetute (ATACCA), separate da uno spacer di 34 bp. In questo studio sono state indagate le proprietà biochimiche, strutturali e di legame al DNA della proteina GabR di Bacillus subtilis. L’analisi spettroscopica dimostra che GabR interagisce con il PLP formando l’aldimina interna, mentre in presenza di GABA si ottiene l’aldimina esterna. L’interazione fra il promotore gabTD e le forme holo e apo di GabR è stata monitorata mediante Microscopia a Forza atomica (AFM). In queste due condizioni di legame è stata stimata una Kd di circa 40 ηM. La presenza di GABA invece, determinava un incremento di circa due volte della Kd, variazioni strutturali nei complessi GabR-DNA e una riduzione del compattamento del DNA alla proteina, indipendentemente dalla sequenza del promotore in esame. Al fine di valutare il ruolo delle caratteristiche topologiche del promotore, sono state inserite cinque e dieci bp all’interno della regione spacer che separa le due sequenze ripetute dirette riconosciute da GabR. I significativi cambiamenti topologici riscontrati nel frammento aggiunto di cinque bp si riflettono anche sulla forte riduzione dell’affinità di legame verso la proteina. Al contrario, l’inserzione di 10 bp provoca solamente l’allontanamento delle sequenze ripetute dirette. L’assenza quindi di cambiamenti significativi nella topologia di questo promotore fa sì che l’affinità di legame per GabR rimanga pressoché inalterata rispetto al promotore non mutato. L’analisi del potenziale elettrostatico superficiale di GabR mostra la presenza di una fascia carica positivamente che si estende lungo un’intera faccia della proteina. Per verificare l’importanza di questa caratteristica di GabR nel meccanismo di interazione al DNA, sono stati preparati ed indagati i mutanti R129Q e K362-366Q, in cui la carica positiva superficiale risultava indebolita. L’affinità di legame dei mutanti di GabR per il DNA era inferiore rispetto alla proteina non mutata, in particolar modo nel mutante K362-366Q. Le evidenze acquisite suggeriscono che la curvatura intrinseca del promotore ed il corretto orientamento delle sequenze sulla doppia elica, più della distanza che le separa, siano critici per sostenere l’interazione con GabR. Oltre a questo, la superficie positiva di GabR è richiesta per accomodare la curvatura del DNA sul corpo della proteina. Alla luce di questo, l’interazione GabR-gabTD è un esempio di come il riconoscimento specifico di sequenze, la topologia del DNA e le caratteristiche strutturali della proteina siano contemporaneamente necessarie per sostenere un’interazione proteina-DNA stabile.