Avian MHC: variation and selection in the wild

Abstract

In vertebrates the Major Histocompatibility Complex (MHC) plays a central role in the specific immune defence against various pathogens. Compared with other coding genes the MHC genes exhibit an extremely high level of polymorphism that is maintained by balancing selection. The importance in the immune defence and the polymorphism make these genes interesting to study from an ecological and evolutionary perspective in populations subject to natural selection. In my thesis I have studied MHC in a population of wild songbirds, great reed warblers Acrocephalus arundinaceus. Firstly, I characterized parts of the MHC class I and II genes and I focused especially on transcribed genes since these are likely to be under selection. Then I developed a PCR-based screening method for investigating the MHC class I polymorphism in our study population. In the great reed warbler genome there was a large number of MHC class I and II genes and there was also evidence of balancing selection in these genes. There was a surprisingly high level of variation in the MHC genes in the great reed warblers within the study population considering the limited variation that have been detected using neutral markers. Secondly, I searched for evidence of selection on the MHC genes and for associations between life-history data and MHC genes. I found evidence that there is selection on the MHC class I alleles in great reed warblers. Avian malaria could be one such selective force since great reed warblers that had a large number of MHC alleles (heterozygous individuals) survived an infection with avian malaria (GRW2) more often than individuals with fewer MHC alleles. Hence, a large number of MHC alleles seem critical for survival. However, we did not find that MHC-compatibility is involved in female mate choice in the great reed warblers, as has been found in humans and mice, despite the fact that more MHC heterozygous great reed warbler siblings do survive more often. Finally, associations between certain MHC alleles, or a large number of MHC alleles, and resistance to specific diseases have so far been found in a handful of species. Most of these associations involve humans or are experiments that have been done under controlled conditions. To me it is compelling that the selection pressure from pathogens on MHC genes can be visualised also under natural conditions in wild populations, as e.g. the great reed warblers.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Trastsångarnas MHC gener i klarspråk



Inuti kroppen ser vi väldigt lika ut allihop; men om mina njurar skulle sluta att fungera är det inte alls säkert att just du kan donera en njure till mig. Detta beror på att våra transplantations-gener eller s.k. MHC- (Major Histocompatibility Complex) gener är olika, och vid en transplantation måste många av donatorns och mottagarens MHC-gener vara identiska. En gen är ett arvsanlag som finns i vår arvsmassa. Varje gen finns i två upplagor (en från mamma och en från pappa) och dessa kallas alleler (figur 1). Informationen i generna översätts och därför blir du t.e.x. lik din mamma, du har ju fått hälften av dina gener från henne.



MHC-genernas uppgift är givetvis inte att tala om ifall vi kan donera njurar till varandra eller inte, utan det är en sidoeffekt av att de har en mycket viktig roll i vårt immunförsvar. MHC-generna finns hos alla ryggradsdjur och ser i stora drag lika ut hos alla arter. Det speciella med MHC-generna är att det finns extremt många olika alleler för de här generna. MHC-generna bildar MHC-molekyler som hjälper kroppens immunförsvar att känna igen vad som är kroppens egna celler och vad som är virus och bakterier. När MHC-molekylen hittar små protein-bitar som inte är kroppsegna aktiveras kroppens immunförsvar och oskadliggör viruset / bakterien. En MHC-molekyl kan hitta ett begränsat antal varianter av protein-bitar och därför är det ofta fördelaktigt att ha många olika MHC-molekyler i kroppen (se figur 1 i den engelska sammanfattningen).



Jag har studerat MHC-generna i en liten brun sångfågel som heter trastsångare. Den häckar i vassområden i Mellansverige och övervintrar i Västafrika. Det speciella med trastsångarna, som vi studerar i sjön Kvismaren i Närke, är att deras häckningsekologi har följts under 20 års tid. Därför har vi en enorm kunskapsbank om trastsångarnas släktskap, öden och äventyr vid den här sjön. Trastsångarna visade sig ha många MHC-gener, minst åtta stycken, vilket kan jämföras med tamhöns (den fågelart där MHC-generna är mest välstuderade) som har två stycken. I mitt doktorandprojekt utvecklade jag en molekylärgenetisk metod för att kunna studera MHC-generna hos trastsångare. Jag ville ta reda på ifall trastsångare med många MHC-alleler, eller speciella MHC-alleler, överlevde bättre än andra. Dessutom undrade jag hur olika trastsångarnas MHC-alleler är.



Den molekylära metoden som jag har använt för att studera MHC-generna fångar upp 2-12 MHC-alleler ifrån varje individ. Individer med få MHC-alleler (2 stycken) har mindre variation i sina MHC-gener jämfört med individer men många MHC-alleler (12 stycken). Hos trastsångarna i Kvismaren har nästan alla individer olika kombinationer av MHC-alleler, vi hittade 234 unika kombinationer av MHC-alleler i 248 individer. Ytterligare ett starkt bevis för att MHC-generna är variabla hos småfåglar fick jag när vi studerade MHC-variationen hos Seyshellsångaren, en liten släkting till trastsångaren där alla individer är nära besläktade med varandra. Det fanns naturligtvis total sätt färre MHC-alleler hos Seyshellsångaren jämfört med trastsångaren, men variationen mellan MHC-allelerna var lika stor hos båda arterna; d.v.s. en Seyshellsångare med två MHC-alleler bör kunna skydda sig lika bra mot olika sjukdomar som en trastsångare med två MHC-alleler.



Jag nämnde tidigare att det kan vara fördelaktigt att ha många olika MHC-molekyler i kroppen eftersom det gör att man kan skydda sig mot fler sjukdomar. I en tidigare trastsångarstudie har man studerat hur par av trastsångarsyskon överlever sin första vinter och funnit att syskonet med störst variation i sina gener överlever oftare. När vi undersökte om den genetiska variationen i MHC-generna hade betydelse för överlevnad så pekade resultatet i samma riktning, d.v.s. syskonet med mest flest MHC-alleler överlevde oftare. Om man som mamma vill ge sina barn en stor genetisk variation i MHC-generna så ska man välja en pappa som har annorlunda MHC-alleler än vad man själv har. Man har faktiskt visat att precis så här kan det gå till hos människor och möss, mammor väljer att få barn med pappor som har annorlunda MHC-alleler än vad de själva har. Frekvensen av spontana aborter minskar om mamman och pappan har olika MHC-alleler och troligtvis används luktsinnet när mamman väljer ut sin partner. Jag undersökte om även trastsångarhonorna valde ut sina partners baserat på MHC-alleler, men det gjorde de inte. Trastsångarhonor tycker att välsjungande äldre hanar som är bosatta i vassruggar av hög status är mest attraktiva!



Många sjukdomar i naturen kommer och går, vissa år är de vanliga och andra ovanliga. Olika arter av fågelmalaria, som drabbar trastsångare, varierar exempelvis över tiden. Många trastsångare blir smittade av fågelmalaria i Afrika och en stor andel dör där under sin första vinter. De häckande trastsångare som vi studerar i Kvismaren är de som har överlevt vintervistelsen i Afrika. Även vilka MHC-alleler som är vanliga varierar över tiden bland fåglarna i Kvismaren. Eftersom både vilka arter av fågelmalaria och vilka MHC-alleler som är vanligast varierade mellan år så undersökte vi om de samvarierade. Vi hittade ett samband mellan en speciell MHC-allel och en art av fågelmalaria och vi tolkade sambandet som att den speciella MHC-allelen var en ”överlevar-allel”. Vi fann dessutom ett samband mellan antalet MHC-alleler och ovannämnda art av fågelmalaria, d.v.s. det var större sannolikhet att man överlevde en infektion med fågelmalaria om man hade många MHC-alleler.



Nyligen läste jag en översiktsartikel som handlade om 15 års studier av MHC i icke-modellorganismer (d.v.s. alla organismer utom mus och människa). Trots att MHC är svårt och komplext att studera så var slutklämmen i artikeln att MHC är det bästa systemet som finns tillgängligt för att studera samband mellan krafter i naturen (exempelvis sjukdomar) och gener. Man har funnit samband mellan sjukdomsresistens och MHC-gener hos människor, får, fiskar och kyckling; och med den här studien även hos trastsångare (fågelmalaria). Därmed finns det ett samband mellan MHC-gener och sjukdomsresistens rapporterat även från en vild fågel-population.

• author: Westerdahl, Helena
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Pemberton, Josephine M
• organization: MEMEG; Molecular Ecology and Evolution Lab (research group)
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: polymorphism, balancing selection, cDNA, avian malaria, great reed warbler, Djurekologi, bird, Animal ecology, immune defence, MHC class II, Major Histocompatibility Complex, MHC class I
• pages: 146 pages
• defense location: Blå Hallen Ekologihuset Lund
• defense date: 2003-10-10 10:15:00
• ISBN: 91-7105-192-9
• project: Avian MHC genes
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I Westerdahl, H., Wittzell, H. and von Schantz, T. 1999. Polymorphism and transcription of Mhc class I genes in a passerine bird, the great reed warbler. – Immunogenetics 49: 158–170. Article: II Westerdahl, H., Wittzell, H. and von Schantz, T. 2000. Mhc diversity in two passerine birds: no evidence for a minimal essential Mhc.– Immunogenetics 52: 92–100. Article: III Westerdahl, H., Wittzell, H., von Schantz, T. and Bensch, S. 2003. MHC class I typing in a songbird with numerous loci and high polymorphism using motif-specific PCR and DGGE. – Submitted. Article: IV Richardson, D. S. and Westerdahl, H. 2003. MHC diversity in two Acrocephalus species: the outbred Great reed warbler and the inbred Seychelles warbler. – In press Molecular Ecology. Article: V Westerdahl, H., Hansson, B., Bensch, S. and Hasselquist, D. 2003. Between-year variation of MHC allele frequencies in great reed warblers: selection or drift? – Submitted. Article: VI Westerdahl, H. No evidence of an MHC based female mating preference in great reed warblers. – Manuscript. Article: VII Hansson, B., Westerdahl, H., Hasselquist, D., Åkesson, M. and Bensch, S. 2003. Linkage disequilibria generate heterozygosity-fitness correlations in Great reed warblers. – Submitted. Article: VIII Westerdahl, H., Waldenström, J., Hansson, B., Hasselquist, D., von Schantz, T. and Bench, S. Associations between avian malaria and MHC class I alleles. – Manuscript.
• id: 70fa5be8-4327-41bb-aea3-08bdd1d6960d (old id 466193)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:42:26
• date last changed: 2021-01-05 15:53:51