Avian MHC : Characterization and expression patterns of classical and non-classical MHC-I genes

Abstract

The function of the vertebrate immune system is to enable recognition and elimination of microorganisms that can cause harm (pathogens). A key component in adaptive immunity is the major histocompatibility complex (MHC) that codes for molecules with antigen presentation function. There are two main types of MHC molecules, class-I (MHC-I) and class-II (MHC-II) and the focus of my thesis has been MHC-I. The number of MHC gene copies can vary greatly between populations, species and orders. Passerine birds (order Passeriformes) seem to have particularly high MHC diversity (defined as number of different MHC alleles per individual). The main aim of my thesis has been to understand the high MHC-I diversity in passerines focusing on two aspects: gene expression and presence of classical and non-classical MHC-I genes. Classical MHC molecules present antigens and trigger adaptive immune responses, whereas non-classical genes have an as yet largely unclear function in immunity. Non-classical MHC genes have lower diversity and often have lower expression. Non-classical genes have been found in several different bird orders although never been fully characterized in passerines. I investigated the presence of classical and non-classical genes using a phylogenetic approach by comparing three closely related sparrow species; house sparrow (Passer domesticus), Spanish sparrow (Passer hispaniolensis) and tree sparrow (Passer montanus). All three species had putatively classical and non-classical genes. All putatively non-classical alleles formed a highly supported cluster, independent of species, indicating that the presence of classical and non-classical genes predates the speciation event of these sparrows. Moreover, only one classical gene was found to be highly expressed in house sparrows and tree sparrows (Paper I). The high diversity of MHC-I alleles makes them difficult to genotype, but with high throughput sequencing (HTS) it is feasible. Initially, I used Roche 454 and then Illumina MiSeq amplicon sequencing. These two HTS methods were evaluated using house sparrow MHC-I and they both performed well (Paper II). We characterized MHC-I in a non-passerine bird, the Icelandic black-tailed godwits (Limosa limosa islandica) and showed that there were no putatively non-classical genes in this species despite that such genes were found in two closely related Charadriiformes species (Paper III). I partly characterized MHC-I in siskins (Spinus spinus) of the order Passeriformes and it had putatively non-classical genes; one highly supported cluster contained only low expression alleles that also had low diversity (Paper IV). Moreover, I found that as many as three classical genes could have high expression. Expression of MHC-I was then studied in an infection experiment with a mild and a severe avian malaria strain (Paper V). We showed that classical alleles were continuously expressed to a higher degree than non-classical alleles. Moreover, MHC-I was differently expressed in infected individuals compared to control individuals and there was a tendency for MHC-I to be more highly expressed soon after the acute phase of the severe malaria infection. In my thesis, I have shown that the presence of classical and non-classical MHC-I genes most likely is a common feature in passerine birds which has so far been overlooked. Moreover, the expression of MHC-I in passerine birds seems to differ considerably, not only between species but also between classical MHC-I alleles within individuals of the same species – an avenue for future research.

Abstract (Swedish)

Alla ryggradsdjur har ett immunförsvar vars funktion är att skydda oss mot mikroorganismer som kan orsaka sjukdom, såsom bakterier och virus. Dessa sjukdomsframkallande ämnen kallas patogener. Immunförsvaret behöver kunna skilja mellan proteiner som kommer från den egna kroppen och från patogener. Molekylerna som kodas av gener i major histocompatibility complex (MHC) har en viktig del i denna igenkänning. MHC-molekylerna uttrycks på cellytan och deras funktion är att binda till små fragment av proteiner, så kallade peptider, och presentera dessa för en typ av immunförsvarceller, så kallade T-celler. Om peptiden som MHC presenterar är från en patogen så startar en immunreaktion som kommer att leda till att den infekterade cellen förstörs. Det som gör MHC så viktigt är att T-celler bara kan känna igen peptider om de sitter bundna till en MHC-molekyl. MHC kan delas upp i två klasser beroende på var peptiderna som de presenterar kommer ifrån. MHC klass I presenterar peptider som finns inuti celler (till exempel peptider från virus) medan MHC klass II presenterar peptider som finns utanför celler (till exempel peptider från bakterier). I min avhandling har jag bara fokuserat på MHC klass I.

Man har oftast bara en genkopia av varje gen men det som är speciellt med MHC-gener är att det finns många genkopior, människa har till exempel tre MHC klass I gener. En grupp av ryggradsdjur som har extremt många MHC-genkopior är sångfåglar som kan ha mellan 2 och 33 genkopior, där medelvärdet är 11 genkopior. Detta är betydligt fler genkopior än vad som har hittas hos andra grupper av fåglar och däggdjur. Varför sångfåglar har så många MHC-genkopior vet man inte och i min avhandling har jag jobbat med två aspekter som kan förklara det höga antalet MHC-gener som finns hos sångfåglar.

Den första aspekten jag har undersökt är om alla MHC-gener har samma funktion, det finns nämligen både klassiska och icke klassiska MHC-gener. Funktionen hos klassiska MHC-gener är att presentera peptider till T-celler. Icke-klassiska gener har också en funktion i immunförsvaret men den kan variera och olika icke-klassiska gener verkar ha olika funktioner. Det som kännetecknar icke-klassiska gener är att de är betydligt mindre variabla än klassiska gener och att de dessutom uttrycks till lägre grad än klassiska gener. En förklaring till sångfåglars höga antal MHC-genkopior skulle kunna vara att en stor andel är icke-klassiska. Jag har även undersökt om alla klassiska gener uttrycks lika mycket. Hos många andra fågelarter har man hittat att det bara är en genkopia av de klassiska MHC-generna som har ett riktigt högt genuttryck, oberoende av hur många genkopior som finns i genomet. Såvitt jag vet finns det inga studier som har undersökt om sångfåglars alla genkopior är uttryckta lika mycket så det är möjligt att en annan förklaring till det höga antalet genkopior är att fler gener är höguttryckta hos sångfåglar jämfört med andra grupper av fåglar.

I min avhandling har jag kommit fram till att både klassiska och icke-klassiska gener verkar vara vanliga hos sångfåglar eftersom jag har hittat dem i fyra olika arter av sångfåglar; gråsparv, pilfink, spansk sparv och grönsiska. Dessa icke-klassiska gener är alla mindre variabla och mer lika varandra jämfört med klassiska gener. Dessutom är dessa icke-klassiska gener alltid lägre uttryckta än klassiska gener. Detta tyder på att icke-klassiska gener är vanliga hos sångfåglar men proportionen mellan icke-klassiska och klassiska varierar mellan de fyra arterna som jag har undersökt; hos gråsparv och spansk sparv finns det fler icke-klassiska än klassiska gener medan hos pilfink och grönsiska så finns det fler klassiska än icke-klassiska gener. Alltså kan inte det höga antalet genkopior hos sångfåglar enbart förklaras av att de har icke-klassiska gener.

Uttrycket av de klassiska MHC-generna varierar stort hos sångfåglar, vissa gener har högt uttryck medan andra har lågt uttryck. En intressant sak som jag har kommit fram till är att antalet MHC-gener som har högt uttryck verkar variera mellan arter. Hos gråsparv och pilfink hittar jag bara en gen som har högt uttryck medan hos grönsiska hittar jag som mest tre gener. Detta tyder på att sångfåglar inte bara har en gen som är höguttryckt utan att fler kan vara höguttryckta vilket delvis skulle kunna förklara det höga antalet genkopior hos sångfåglar.

Då funktionen av MHC är att presentera peptider från patogener har jag även undersökt vad som händer med MHC uttrycket under en pågående infektion hos grönsiskor, i det här fallet två olika typer av fågelmalaria. Jag fann att klassiska gener alltid är mer höguttryckta än icke klassiska gener. Sett över hela malariainfektionen så uppreglades MHC bara väldigt svagt i blodet, men det finns en tendens att MHC är mer höguttryckt sent i infektionen, den akuta fasen av malaria, precis efter att antalet malariaparasiter i de röda blodkropparna börjar gå ner.

Sammanfattningsvis har min avhandling lyft fram två viktiga förklaringar till varför sångfåglar har så många MHC gener, nämligen att det troligtvis finns både klassiska och icke-klassiska gener och att mer än en gen kan vara höguttryckt, och därmed ha en viktig funktion i immunsvaret.

• author: Drews, Anna
• supervisor: Helena Westerdahl; Lars Råberg
• opponent: Dr. Lenz, Tobias, Max Planck Institute for Evolutionary Biology, Ploen, Germany
• organization: MEMEG; Department of Biology
• publishing date: 2018-10-29
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences; Evolutionary Biology; Genetics
• keywords: MCH class I, Classical genes, Non-classical genes, Expression, Passerine birds
• pages: 171 pages
• defense location: The Blue Hall, Ecology Building, 'Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2018-12-07 09:30:00
• ISBN: 978-91-7753-906-3
• ISBN: 978-91-7753-907-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 53467e9f-ee09-439c-b56f-bab6bf97e229
• date added to LUP: 2018-11-12 09:58:35
• date last changed: 2018-11-21 21:43:09