MHC polymorphism and host-pathogen interactions: The case of Borrelia in its reservoir host, the bank vole Myodes glareolus

Abstract

The major histocompatibility complex (MHC) class IIB genes exhibit extensive allelic polymorphism, most likely maintained by pathogen-mediated balancing selection (PMBS). PMBS may operate in the form of heterozygote advantage (HA), and/or through the interaction of pathogens and specific MHC alleles via fluctuating selection (FS) or negative frequency-dependent selection (NFDS). In particular, NFDS is one of the primary models used to explain the extraordinary number of alleles found in the MHC genes. However, there is as yet limited empirical evidence for this hypothesis. Here, I use the tick-borne bacterium Borrelia afzelii in bank voles as a model system to study the maintenance of MHC class IIB variation for resistance to infectious diseases. I analyse both infection prevalence and infection intensity of Borrelia in a large-scale mark-recapture study (>500 bank voles). The prevalence and incidence of infection was higher in adults than immatures and peaked during the summer. Infection intensities decreased over time within individuals, and the loss of infection was significantly higher than the diagnostic error rate, in particular during winter, suggesting that bank voles can clear B. afzelii infections. I examined the rate ratio of replacement to silent amino acid substitutions in the peptide-binding region of the polymorphic MHC class II DRB and DQB genes in bank voles. I found signs of positive selection in both genes, but maximum likelihood models detected at least twice as many positively selected sites in DQB as in DRB, suggesting that DQB has been under stronger positive selection than DRB over evolutionary time. For this reason, I focused on DQB in my analyses of bank vole resistance to Borrelia. I analysed the effect of DQB-genotypes on both B. afzelii prevalence and strain-specific infection intensity. I tested 12 different DQB haplotypes for associations with infection prevalence. I found no evidence for HA in regards to B. afzelii prevalence. However, I found two significant associations between DQB haplotypes and infection prevalence: One haplotype was associated with resistance, while another was associated with susceptibility. The DQB intra-genotypic divergence was higher for voles with the resistance haplotype and lower in voles with the susceptible haplotype, compared to other voles. According to the divergent allele advantage hypothesis (DAA), individuals with a minimal overlap in antigen recognition of MHC-molecules should be selected for. I suggest that higher divergence in voles with resistance haplotypes (alleles), is consistent with selection where NFDS works in concert with DAA. The key assumption of NFDS is that there is a host-pathogen G×G for resistance to infection. To investigate if there is G×G between DQB and B. afzelii in bank voles, I analysed DQB haplotypes and infection intensity per B. afzelii strain. I found that one DQB haplotype had strain specific effects on quantitative resistance: Voles with haplotype H06 had lower infection intensities than voles without H06, with regards to some strains of B. afzelii. However, bank voles carrying the H06 haplotype had higher infection intensities of some other B.afzelii strains. This significant interaction between host MHC class II DQB haplotype and B. afzelii strains shows that there is potential for NFDS to maintain MHC allelic richness in a natural population of bank voles.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I mitt doktorandprojekt har jag studerat den fästingspridda bakterien Borrelia och dess värddjur skogssork. Det övergripande syftet har varit att kartlägga den genetiska variationen i den delen av immunförsvaret som tar hand om bakterieinfektioner, som till exempel borrelia. I alla ryggradsdjur finns ett specifikt immunförsvar som kan identifiera små proteinbitar från exempelvis virus och bakterier (patogener). För att kroppen ska reagera och aktivera immunförsvaret behöver proteinbitarna binda till speciella molekyler vars ”arkitektur” beskrivs av generna i ett genkomplex kallat ’the Major Histocompatibility Complex’ (MHC). De flesta andra gener är lika mellan olika individer inom en art, men MHC-generna är helt klar ett undantag. Hos människosläktet finns det tusentals varianter av MHC-gener vilket gör att våra immunförsvar också skiljer sig åt.

De molekyler som kan binda proteinbitar från borreliabakterier kodas av så kallade MHC klass II-gener. De mest variabla klass II-generna heter DRB och DQB. I avhandlingens första kapitel undersöker jag DRB- och DQB-generna hos skogssork och jämför molekylära skillnader mellan olika genvarianter. Jag kommer fram till att båda generna är mer variabla än vad som kan förväntas hade de förändrats slumpmässigt över tid sedan artens tillblivelse (evolutionär tid). Med hjälp av analyser av DNA kan jag dra slutsatsen att naturlig selektion har verkat för att bibehålla den stora mängden genetiska varianter av både DRB och DQB över evolutionär tid. Jag identifierar fler funktionella skillnader mellan olika sorkars DQB-gener än DRB-gener. Jag drar slutsatsen att selektionstrycket sannolikt har varit starkare på DQB än DRB. I kapitel två redogör jag för borrelians epidemiologi. Små transpondrar (mikrochip) injicerades under nackskinnet på sorkarna för att kunna följa en och samma individ över tid. Jag visar att sorkarna kan bli av med infektionen efter sommaren, när fästingarna inte längre är aktiva. Detta är en viktig upptäckt, eftersom man tidigare har trott att borrelia är en kronisk sjukdom hos vilda gnagare. I kapitel tre testar jag huruvida olika DQB-varianter har betydelse för sorkarnas försvar mot borreliainfektioner.



Den molekylärgenetiska labbtekniken har under de senaste fem åren tagit enorma kliv framåt. I slutet av mitt projekt har jag kunnat utnyttja den senaste DNA-teknologin, så kallad ”next generation sequencing” för att undersöka MHC-variationen hos skogssork. Med den tekniken kan man läsa generna hos hundratals sorkar på samma tid som man med den gamla tekniken behövde för ett tiotal. Med DQB-data från mer än 500 sorkar lyckas jag visa på en skyddande effekt av en viss DQB-variant, som jag kallar H05. Sorkar som bär den skyddande DQB- varianten H05 har mer sällan borreliabakterier i huden än sorkar med andra DQB- varianter. Sorkar som i sin arvsmassa i stället bär DQB-varianten jag kallar H09 har oftare borreliabakterier i huden. H05 verkar dessutom koda för DQB-molekyler som är strukturellt sett annorlunda, jämfört med de andra DQB-varianterna som finns hos sorkpopulationen. Möjligen har borreliabakteriernas proteinbitar förändrats (evolverat) så att de inte längre känns igen av de vanligare DQB-varianterna. I så fall gynnas H05-sorkarna på grund av att de har en ovanlig struktur på sina DQB- molekyler.



Om frekvensfördelningen av olika genetiska immunförsvarsvarianter hos ett värddjur leder till en förändring av fördelningen av olika genetiska varianter hos dess patogen och vice versa, så kallas det för co-evolution. Denna typ av frekvensberoende co- evolution uppges ofta vara den mest troliga förklaringen till varför det finns en sådan oerhörd mängd olika varianter av MHC-gener hos ryggradsdjur. Men för att denna förklaring ska vara giltig så får en individs MHC-gener inte ge resistens mot mer än ett begränsat antal genetiska varianter av en viss patogen; de får inte vara ett allmänt skydd mot alla patogenvarianter. Det finns väldigt få studier som har lyckats visa sådan specifik resistens. I kapitel fyra analyserar jag DQB-varianternas förmåga att ge resistens mot specifika varianter av borrelia (det finns sju olika borreliastammar i vår sorkpopulation). Jag visar att en DQB-variant som jag kallar H06 har en skyddande effekt mot vissa borreliavarianter samtidigt som den ger ett dåligt skydd mot andra. Jag drar slutsatsen att förutsättning finns för co-evolution mellan borrelia och DQB hos skogssork. Sammanfattningsvis kan sägas att naturlig selektion har verkat för att bibehålla många olika genetiska varianter av både DRB och DQB över evolutionär tid, men att selektionstrycket verkar ha varit starkare på DQB. Vilken genetisk variant av DQB som en sork bär på har betydelse för risken att borreliabakterier stannar i sorkens hud. En viss DQB-variant kan vara bra mot vissa borreliavarianter och dålig mot andra. Således finns förutsättningarna för co-evolution, där frekvensfördelningen av olika genetiska immunförsvarsvarianter hos skogssork leder till en förändring av den genetiska variationen hos borrelia och vice versa. Det är sannolikt att motsvarande interaktion mellan värddjur och patogener finns i andra värd-patogen system, men än så länge är det väldigt få som har kunnat visa detta i naturliga populationer.

• author: Scherman, Kristin
• supervisor: Helena Westerdahl; Lars Råberg
• opponent: Prof Richardson, David, School of Biological Science, University of East Anglia, UK
• organization: MEMEG; Molecular Ecology and Evolution Lab (research group)
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Host-pathogen interaction, Negative frequency dependent selection, Myodes glareolus, Borrelia
• pages: 146 pages
• defense location: the Blue Hall, Ecology Building, Sölvegatan 37
• defense date: 2015-06-11 13:15:00
• ISBN: 978-91-7623-377-1
• project: Borrelia in rodents
• project: Parasite mediated selection on MHC genes
• language: English
• LU publication?: yes
• id: eeed1fc4-95c7-4fbf-b848-d93dcffd58d2 (old id 5385732)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:02:35
• date last changed: 2020-09-23 15:19:19