The MHC genes: variation and impact on life-history traits in house sparrwos

Abstract

In birds the major histocompatibility complex (MHC) organization differs both among and within orders. Galliformes often have simple arrangements with few transcribed MHC genes whilst many songbirds (Passeriformes) have a complex arrangement with many MHC genes and also presence of pseudo-genes. In this thesis I have partly characterized MHC class I in house sparrows (Passer domesticus), sequencing the α1 to α3 domains. In sparrows alleles with a 6bp deletion form a distinct phylogenetic cluster in a tree based on the α1 and α2 domains. These alleles have many characteristics suggesting that they have a non-classical function (e.g. highly conserved amino acid positions were substituted compared with the other alleles, low nucleotide diversity and only a single site subject to positive selection). The alleles without a 6bp deletion show classical MHC characteristics (e.g. high nucleotide diversity and many positively selected sites). Sparrows can have at least four genes that hold alleles without the 6bp deletion and at least eight genes that hold alleles with the 6bp deletion.

To understand more of the function of these genes we analyzed binding properties using in-silico modeling. This modeling was done based on full-length transcripts (α1 to α3 domains) from three different passerine birds, the great reed warbler (Acrocephalus arundinaceus), the house sparrow and the tree sparrow (Passer montanus). The phylogenetic analysis revealed not only genetic differences but also trans-species evolution within the sparrows. The in silico peptide-binding predictions reveal separate functional clusters of MHC-I allomorphs based on their peptide-binding specificities. A handful of studies in birds have reported association between MHC and survival. In my study population of house sparrows I have investigated if MHC is important for nestling survival, juvenile survival and the probability to become recruited into the breeding population. My findings indicate that specific MHC alleles are more important for survival than the absolute number of alleles per se, suggesting that negative frequency dependent selection or fluctuating selection is more likely to maintain the MHC diversity than heterozygote advantage.

In birds there have been reports indicating a role for that MHC may be involved in mate-choice. I have investigated whether the social mate-choice in house sparrows is MHC-based. Despite using several different approaches there was no evidence for an MHC based female mate-choice regarding MHC diversity in this house sparrow population. Investigating MHC genes in the wild is necessary for the understanding of which selection mechanisms that operates at MHC and how pathogens interact and shape the variation observed at MHC genes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

MHC upptäcktes för 60 år sedan då George Snell konstaterade att möss som var genetiskt lika inte stötte bort transplanterad hud medan genetiskt olika möss gjorde det. Men det var inte förrän långt senare som man insåg vilken roll som MHC spelar i immunförsvaret hos alla vertebrater. Sedan ett par decennier tillbaka är detta ett välstuderat område speciellt hos människan men även hos möss och kyckling. Men fler och fler studier dyker upp där man studerat MHC hos många olika arter i naturliga populationer.

MHC har en viktig funktion i immunförsvaret där MHC molekyler binder små peptider både främmande och egna för att sedan presentera dem för T-cellen. Kommer de här peptiderna från bakterier eller ett virus så aktiveras immunförsvaret och den infekterade cellen förstörs eller fagocyteras (äts upp). Det som gör MHC så intressant att studera och det som gör dess gener så unika är deras otroliga genetiska variation där varje MHC gen förekommer i många olika varianter s.k. alleler. Varje allel kodar för en viss typ av MHC molekyl som binder en viss typ av peptider. Så det kan vara bra att ha många alleler eftersom man då kan binda och presentera många olika peptider. Men det kan också vara bra att ha ovanliga alleler som viruset eller bakterierna inte har hunnit anpassa sig till. Så länge den här allelen är ovanlig ger den en fördel men efter en tid kommer andelen individer som bär den öka och den blir vanlig och således inte så fördelaktig längre. Det man fokuserar på när man studerar MHC är den peptidbindande regionen och det är där som peptiden från ett virus och bakterier binder. Den här delen av MHC genen är mycket variabel och man säger att positiv selektion verkar i just den här regionen.

Varför är då MHC så intressant att studera? Först och främst är det den stora genetiska variationen som gör att MHC gener kan användas som genetiska markörer i populationsstudier för att studera naturlig och sexuell selektion. Fler och fler studier har visat att MHC har en viss betydelse för överlevnad och reproduktion samt partnerval. Man har även hittat kopplingar mellan specifika MHC alleler och sjukdomsresistens, framförallt kopplingar mellan MHC och malaria. MHC har också visat sig spela en central roll när det gäller autoimmuna sjukdomar t.e.x. diabetes typ I och multiple skleros.

Jag har studerat dessa MHC gener hos gråsparven, en fågel som finns nästan överallt i världen men som på senare tid har minskat. Min population lever på en liten ö (5,6 km lång och 800m bred) ute i Bristol kanalen utanför Englands sydväst kust. Det unika med denna population är att den är isolerad och att man har studerat den sedan år 2000. Vidare så har populationen genomgått flera flaskhalsar, d.v.s. populations storlek har minskat dramatiskt under ett väldig kort tidsintervall; allra senast under vintern 2011 då sparvhöken var i farten och kalasade på alla ungfåglar. Eftersom den här populationen har studerats under en längre tid finns väldigt mycket information om varje enskild individ - om hur det har gått för den i livet, hur många ungar den haft, var och när den har häckat mm. Alla individer är märkta med färgade plastringar och en metallring med ett nummer på för individigenkänning. Under varje häcknings säsong håller man koll på populationen genom att besöka alla fågelholkar och registrera vad som händer och sker. Vid dag 2 efter att äggen kläckts i en holk väger man och mäter ungarna samt tar ett blodprov och klipper en klo på ungen så man kan skilja dem åt under uppväxten i holken. När ungarna är 12 dagar görs proceduren om och man sätter på ringarna. Vidare så filmas alla holkar som har invånare för att ha koll på vilka föräldrarna är. Föräldraskapet kollas även genetiskt så att man med säkerhet kopplar rätt förälder till ungarna.

I mitt projekt har jag optimerat en metod för att screena MHC gener hos många individer i den här gråsparvspopulationen på ett effektivt sätt. Men för att kunna åstadkomma detta måste man först ha en viss bakgrundskunskap. I Manus I har jag karaktäriserat hela den peptidbindande regionen samt den del av MHC-molekylen som T-cellen binder till. Gråsparven uttrycker två olika typer av MHC gener där en grupp har en deletion på sex baspar. Jag fann att denna grupp av MHC alleler med en deletion på sex baspar bildar ett distinkt fylogenetiskt cluster. Vidare fann jag att denna grupp mer påminde om kycklingens icke-klassiska MHC-Y gener med liten genetisk variation och låg andel icke synonyma substitutioner och inga synonyma substitutioner. Den andra gruppen av gener, utan en sex baspars deletion, har alla karaktärstypiska drag som klassiska MHC gener har (mycket genetisk variation och många positivt selekterade sites). Dessa resultat visar att man kan tänka sig att generna med och utan sex baspars deletion har olika funktioner i immunförsvaret och man kan anta att de har olika preferenser för vilken typ av peptider som binds och även affiniteten dvs. bindnings styrka.

I manus II undersöker jag funktion och bindnings preferenser hos gråsparven, pilfinken och trastsångaren. Det visade sig att gråsparven och pilfinken som divergerade från varandra för ca 10 miljoner år sedan hade ett överlapp i peptidbindnings specificitet och detta visade sig också vid de fylogenetiska analyserna som var baserade på aminosyra sekvenser. Det fanns också ett överlapp mellan gråsparven och trastsångaren när det gäller peptidbindnings specificitet men detta visade sig inte i det fylogenetiska trädet baserat på aminosyra sekvenser. Med tanke på att trastsångaren och gråsparven divergerade från varandra för 75 miljoner år sedan är det ganska anmärkningsvärt att de har liknande peptidbindnings specificiteter. Det här skulle kunna vara en indikation på att dessa fåglar har en liknande peptidbindande repertoar trots olikheter på aminosyra nivå vilket skulle kunna vara tecken på konvergent evolution när det gäller funktion av själva proteinet.

Överlevnad hos fågelungar är beroende av många olika faktorer som t.ex. vikt vid kläckning och hur bra föräldrarna matar, men även om en fågelunge kläcks tidigt på våren eller lite senare är en viktig faktor för överlevnad. I manus III undersöker jag om MHC generna är associerade med överlevnad hos gråsparvar. Det jag hittade var att antalet alleler inte har någon betydelse men däremot fann jag att en specifik allel var associerad med överlevnad. De individer som hade denna allel hade större chans att lämna boet samt överleva sin första vinter. Det här skulle kunna tyda på att det är negativ frekvens beroende selektion som agerar i den här populationen. Därför var det inte så förvånande att jag inte fann någon koppling mellan MHC diversitet och honans val av partner när jag undersökte ifall partner val hos gråsparven kunde vara associerat med MHC. Tidigare har man visat att det förekommer MHC baserat partnerval hos gråsparven men bevisen är ganska svaga och i vissa fall kan man inte tydligt visa att paren verkligen häckar tillsammans. Hos andra fågelarter förekommer det MHC baserat partnerval men då ofta i samband med att honan har ”vänster prasslat” eller som det heter på det vetenskapliga språket ”extra pair copulation”. Medan däremot hos trastsångaren hittade man inga bevis för MHC baserat partner val. Mitt resultat talar för att MHC gener troligtvis inte är det en gråsparvshona går på när hon väljer en partner utan det är andra saker som är mycket viktigare.



Fastän antalet studier rörande MHC hos olika arter i deras naturliga miljö har ökat markant de sista åren så finns det en hel del frågetecken kvar att lösa. Att hantera multilocus system som MHC är väldigt utmanande men nya tekniker som 454 sekvensering kommer förhoppningsvis att ge oss svar på en del av dessa frågor. Fortsatta MHC studier i det vilda är nödvändiga för vår förståelse om vilka selektionsmekanismer som agerar och hur patogener interagerar med MHC och sjukdomsresistens. Dessa kunskaper skulle också kunna användas inom andra områden som t.ex. bevarande biologi, avelsprogram och även inom veterinär medicin.

• author: Karlsson, Maria
• supervisor: Helena Westerdahl
• opponent: professor Höglund, Jakob, Uppsala University
• organization: MEMEG; Molecular Ecology and Evolution Lab (research group)
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: MHC-I, house sparrow, 454-amplicon sequencing, cDNA, functional clustering, trans-species evolution, nestling survival, mate-choice
• pages: 110 pages
• defense location: Blue lecture hall, Ecology building
• defense date: 2013-11-29 09:30:00
• ISBN: 978-91-7473-467-6
• project: Avian MHC genes
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4980994c-9638-4905-a20b-e01895c70b9a (old id 4124049)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:12:52
• date last changed: 2020-09-23 15:19:20