Advanced

MHC polymorphism in a songbird : Fitness, mate choice, and sexual conflict

Roved, Jacob LU (2019)
Abstract
Sex differences in immune responses have been observed across a wide range of animal species, with the general
tendency that males have weaker immune responses than females. These differences are at least partly caused by immune-regulating effects of sex hormones, and have been associated with an increased prevalence of autoimmune disorders in females and with a general tendency for males to be parasitized more often than females. Because of these differences, male and female phenotypes may be regarded as different immunological environments, however it has not previously been investigated whether sex differences in immune responses may lead to sexually antagonistic selection on immune system genes.
The first chapter of this thesis... (More)
Sex differences in immune responses have been observed across a wide range of animal species, with the general
tendency that males have weaker immune responses than females. These differences are at least partly caused by immune-regulating effects of sex hormones, and have been associated with an increased prevalence of autoimmune disorders in females and with a general tendency for males to be parasitized more often than females. Because of these differences, male and female phenotypes may be regarded as different immunological environments, however it has not previously been investigated whether sex differences in immune responses may lead to sexually antagonistic selection on immune system genes.
The first chapter of this thesis presents a literature study of the effects of sex hormones on the strength of immune responses in vertebrates, based on which we propose the hypothesis that sexual selection may drive sexually antagonistic selection on genes associated with the immune system. In the following chapters, we investigated this hypothesis using major histocompatibility complex class I (MHC-I) genes in a species subject to strong sexual selection, a socially polygynous songbird, the great reed warbler Acrocephalus arundinaceus.
MHC genes play an important role in vertebrate adaptive immunity where they enable recognition and elimination of pathogens. Due to an ongoing co-evolution between hosts and their pathogens, the MHC genes are among the most variable genes known in vertebrates. It has been hypothesized that hosts benefit from having high MHC diversity, because this confers protection against a wider range of pathogens. Interestingly, we found evidence for a sexual conflict and for sexually differential selection on MHC-I diversity in our great reed warbler study population.
It has been predicted that genes associated with disease resistance should be advantageous in terms of sexual selection, and this prediction is central to our hypothesis that sexual selection may drive sexually antagonistic selection on genes associated with the immune system. We therefore investigated whether MHC-I genes were associated with sexual selection in great reed warblers. Our results indicated that MHC-I diversity (i) conveys a ‘good genes’ benefit to females that select older males and males with large song repertoires, and (ii) affects the ability of males to acquire attractive territories. These results confirmed that MHC-I genes are associated with sexual selection, and thereby corroborated our hypothesis that sexual selection may be driving the observed sexual conflict over MHC-I diversity via immune regulating effects of sex hormones.
Finally, we investigated the source of MHC-I genotypic variation in great reed warblers by analyzing segregation of MHC-I haplotypes and performing phylogenetic reconstruction on MHC-I alleles. We identified five distinct clades in a phylogenetic tree that indicate the presence of several divergent MHC-I loci in the great reed warbler genome. Analyses of positive selection implied that each putative MHC-I locus may have evolved slightly different functions. Importantly, variation in MHC-I diversity between haplotypes was largely explained by variation within two specific clades, suggesting that the sexual conflict over MHC-I diversity may be caused by sexually antagonistic effects associated with alleles from these clades in particular.
Our results suggest that sexually antagonistic selection is an important force in the evolution of vertebrate adaptive immunity, which may be important for a comprehensive, evolutionary understanding of autoimmune diseases and other costs associated with immune responses in vertebrates. The results presented in this thesis invite further studies that investigate the generality of sexually antagonistic selection over immune system genes in other species, as well as more detailed studies of the mechanisms underlying such sexual conflicts. (Less)
Abstract (Swedish)
I mitt forskningsprojekt har jag studerat generna i ’the major histocompatibility complex’ (MHC). Generna i detta komplex kodar för molekyler som uttrycks på cellytan och dessa molekyler är avgörande för immunförsvarets förmåga att upptäcka och bekämpa patogener (sjukdomsalstrande mikroorganismer, som virus, bakterier och parasiter). Det övergripande syftet i min forskning har varit att undersöka betydelsen av den genetiska variationen inom MHC klass I (MHC-I) generna. MHC-I molekylerna gör det möjligt för immunförsvaret att upptäcka patogener som finns inuti värdens celler, t.ex. virus och malaria-parasiter.
MHC-I generna uttrycks i alla kroppens celler, och MHC-I molekylerna presenterar fragment av proteiner som har brutits ner i... (More)
I mitt forskningsprojekt har jag studerat generna i ’the major histocompatibility complex’ (MHC). Generna i detta komplex kodar för molekyler som uttrycks på cellytan och dessa molekyler är avgörande för immunförsvarets förmåga att upptäcka och bekämpa patogener (sjukdomsalstrande mikroorganismer, som virus, bakterier och parasiter). Det övergripande syftet i min forskning har varit att undersöka betydelsen av den genetiska variationen inom MHC klass I (MHC-I) generna. MHC-I molekylerna gör det möjligt för immunförsvaret att upptäcka patogener som finns inuti värdens celler, t.ex. virus och malaria-parasiter.
MHC-I generna uttrycks i alla kroppens celler, och MHC-I molekylerna presenterar fragment av proteiner som har brutits ner i cellen. Dessa fragment kan härstamma från cellens egna komponenter eller från patogener. Om proteinfragmentet inte härstammar från cellen utan från ett patogen så kallas det antigen. När MHC- molekylerna presenterar antigen för T-celler påbörjas en immunförsvarsreaktion. T- celler kan bara skilja på vad som är ett kroppseget proteinfragment och ett antigen när proteinfragmenten presenteras av MHC-molekyler. Varje MHC-molekyl kan presentera ett begränsat antal proteinfragment och därför är variationen i MHC- generna inom varje individ betydelsefull för hur väl skyddad denna individ är mot patogener.
MHC-generna är bland de mest variabla gener som finns hos ryggradsdjur, och det är olika varianter av patogener som upprätthåller denna variation. Patogenerna anpassar sig och undkommer de vanligaste MHC-genvarianter i en värdpopulation medan ovanliga MHC-genvarianter är fördelaktiga för bäraren. Detta förlopp mellan vanliga och ovanliga MHC-genvarianter är cykliskt och förändras hela tiden, olika MHC-genvarianter är fördelaktiga vid olika tidpunkter. Individer har en fördel av att ha en bred variation i sina MHC-gener för att kunna känna igen en så stor bredd av patogener som möjligt, medan patogenerna har en fördel sin snabba anpassningsförmåga som uppnås via en kort generationstid. Individer kan få en bred variation i sina MHC-gener antingen genom att ha många MHC-genkopior eller genom att ha kombinationer av MHC-genvarianter som ser olika ut (denna olikheten mellan MHC-genvarianter kallas MHC-divergens). Tidigare studier från bland annat människor har visat att individer med hög MHC-divergens kan känna igen fler patogener än individer med låg MHC-divergens.
Jag har utfört mina studier på en vild fågelart, trastsångare Acrocephalus arundinaceus, där det finns data insamlat från en population i våtmarksområdet Kvismaren, som har studerats i detalj sedan 1983. Detta projektets långsiktighet och detaljkunskap gör det unikt inom ekologisk grundforskning. Trastsångare är en polygyn art, där framgångsrika hanar kan ha upp till fem honor i sitt harem. Honorna väljer sin partner baserat på hanarnas sång och ålder, och på hur attraktiva territorier hanarna har. Med detta val skapar honorna en fördel för hanar som är i bra fysisk kondition, och vi har funnit att variationen i MHC-I generna spelar en betydelsefull roll eftersom (i) antalet genvarianter (så kallade alleler) inom en individ har betydelse för hur bra territorier hanarna får och (ii) MHC-divergensen inom en individ har betydelse för hanens livslängd och hur varierat han sjunger. Våra resultat visar även att MHC-divergensen är högre hos hanar som valdes av honorna som sociala partners än genomsnittet bland alla hanar.
Våra resultat matchar bra mot tidigare framlagda vetenskapliga teorier av Hamilton och Zuk (1982) och Folstad och Karter (1992), som föreslog att gener som är betydelsefulla för sjukdomsresistens gynnas vid partnarval. Hamilton och Zuk (1982) hittade ett negativt samband mellan uttrycket av hanliga ornament (t.ex. mättnaden av fjädrarnas färgar) och förekomsten av blodparasiter hos nordamerikanska sångfåglar, och utvecklade teorin att hanliga ornament ger honorna möjlighet att välja de hanar som är mest resistenta mot sjukdomar. Folstad och Karter (1992) föreslog att det hanliga könshormonet testosteron spelade en viktig roll för fysiologin bakom Hamilton och Zuks teori, genom att testosteron både reglerar uttrycket av hanliga ornament och dämpar uttrycket av immunförsvaret. Dessa två effekter av testosteron gör att endast de hanar som har de bästa generna för sjukdomsresistens har råd med att ha både höga testosteronhalter och högt uttryckta hanliga ornament. Därmed visar högt uttryck av hanliga ornament att hanen är av god kvalitet.
Även om kopplingen mellan MHC-gener och partnarval har påvisats i många arter (det mest kända exemplet är kanske T-shirt experimentet som blev utfört på människor av Wedekind (1995, 1997) där försökspersoner föredrog partners med MHC-gener som var olika de egna MHC-generna, detta val var möjligt att göra endast genom att lukta på partners’ T-shirts), så har det inte tidigare funnits en teori som tar hänsyn till vilken effekt de gener som ger hög sjukdomsresistens hos hanar har när de hamnar hos honor, där immunförsvaret inte är dämpat av testosteron. Tillsammans med mina handledare Helena Westerdahl och Dennis Hasselquist gjorde jag en litteraturstudie, där jag undersökte reglerande effekter av könshormoner på immunförsvaret hos ryggradsdjur (inklusive människor). Vi hittade att hanar generellt sett har ett lägre uttryck av immunförsvaret. Med andra ord är hanarnas immunförsvar i regel inte lika effektivt som honornas. Men om hanar selekteras för att ha gener som ger hög sjukdomsresistens för att kompensera för deras dämpade uttryck av immunförsvaret, t.ex. hög MHC-variation, då finns det en risk att dessa gener ger ett alldeles för effektivt immunförsvarsuttryck hos honorna, vilket kan innebära en ökad risk för autoimmuna sjukdomar. Baserad på denna teori utvecklade vi hypotesen att stark sexuell selektion (d.v.s. starkt diskriminerande partnarval) för ökad sjukdomsresistens hos hanar kan ge upphov till en genetisk konflikt mellan könen.
Vi undersökte denna hypotes på trastsångarna, och hittade att hanar som har många olika MHC-I alleler får avkommor som överlever i högre grad. Det omvända gällde för honor, då deras avkommor överlevde bättre om honan hade färre MHC-I alleler. Vi hittade även en könsskillnad i effekten av MHC-divergens, då hanar med hög divergens levde längre och därmed fick fler avkommor, medan ingen sådan fördel fanns hos honorna. Denna typ av könskonflikt i immunförsvaret har oss veterligen aldrig tidigare konstaterats hos djur, men eftersom de flesta ryggradsdjur, även människor, har samma uppbyggnad av sitt adaptiva immunförsvar så bör liknande könsskillnader i styrkan av immunförsvarsresponser finnas hos många olika arter.
I avhandlingens sista kapitel undersökte vi hur variationen mellan individer i antalet MHC alleler och MHC-divergens kan ha uppkommit hos trastsångarna. Detta gjorde vi genom att analysera nedärvningsmönster i MHC-I generna och därigenom identifiera så kallade haplotyper. Haplotyper är grupper av alleler som sitter tätt ihopkopplade på kromosomerna som nedärvs från respektive förälder. Genom att sammanställa resultaten från haplotyp-analysen med en släktskapsanalys av alla MHC-I allelerna som vi fann i trastsångarpopulationen, så kunde vi dela in MHC-I allelerna i fem olika grupper (betecknade A-E). Dessa fem grupper representerar sannolikt olika MHC-I loci (platser på kromosomerna), i trastsångarnas genom (alla kromosomerna, arvsmassan). Vi utförde även en analys som visade att den naturliga selektionen hade påverkat MHC-allelerna från de fem olika grupperna på olika sätt, vilket tyder på att MHC-molekylerna troligtvis har specialiserats på att binda olika typer av antigen. Vår analys visade att variationen i antalet alleler per MHC-I haplotyp förklarades av genduplicering inom två (D och E) av de fem förmodade MHC-I locina. Dessa två loci (D och E) innehöll fler alleler än de övriga tre (A-C). Våra resultat indikerar vidare att det är alleler från grupperna D och E som driver könskonflikten hos trastsångarna, konflikten där hanarna har en fördel av att ha många MHC-alleler medan honorna har en fördel av att ha få MHC-alleler. Detta möjliggör att framtida studier kan undersöka vilka sjukdomar som alleler från grupperna D och E skyddar emot, och vilka kostnader som de medför t.ex. i form av risk för autoimmunitet.
Sammanfattningsvist har våra studier påvisat att variationen i MHC-I generna är oerhört viktig för trastsångarna. Vi hittade en könskonflikt i relation till antalet MHC-I alleler på individnivå, en konflikt som sannolikt är kopplad till den effekt som könshormonerna testosteron och östrogen har på styrkan av immunförsvarsresponserna. Vi har dessutom lyckats karaktärisera ett stort antal MHC-haplotyper hos sångfåglar och vår metodutveckling i samband med denna analys har öppnat dörren för helt nya kunskaper och vinklingar av sångfåglars MHC-gener. Sådana kunskaper är värdefulla eftersom sångfåglar utgör unika studiesystem, där det är relativt enkelt att studera individernas beteende och individernas framgång (de kan hållas i holkar, hittas och observeras relativt enkelt i naturen, många rör sig relativt lokalt, etc.). Ekologiska studier av vilda arter är dessutom betydelsefulla om man vill studera evolutionen av immunförsvaret, eftersom vilda djur lever med sina naturliga parasiter och sjukdomar.
(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Piertney, Stuart, University of Aberdeen, UK
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Major histocompatibility complex, MHC diversity, MHC haplotypes, sexually antagonistic selection, costs of immune responses, adaptive immunity, great reed warbler, songbird
pages
306 pages
publisher
Biologiska institutionen, Lunds universitet
defense location
The Blue Hall, the Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund
defense date
2019-02-15 13:30:00
ISBN
978-91-7753-929-2
978-91-7753-930-8
language
English
LU publication?
yes
id
4a38f3b8-6935-4952-9339-d75ad370f295
date added to LUP
2019-01-21 13:37:12
date last changed
2019-01-25 09:58:05
@phdthesis{4a38f3b8-6935-4952-9339-d75ad370f295,
  abstract     = {Sex differences in immune responses have been observed across a wide range of animal species, with the general<br/>tendency that males have weaker immune responses than females. These differences are at least partly caused by immune-regulating effects of sex hormones, and have been associated with an increased prevalence of autoimmune disorders in females and with a general tendency for males to be parasitized more often than females. Because of these differences, male and female phenotypes may be regarded as different immunological environments, however it has not previously been investigated whether sex differences in immune responses may lead to sexually antagonistic selection on immune system genes.<br/>The first chapter of this thesis presents a literature study of the effects of sex hormones on the strength of immune responses in vertebrates, based on which we propose the hypothesis that sexual selection may drive sexually antagonistic selection on genes associated with the immune system. In the following chapters, we investigated this hypothesis using major histocompatibility complex class I (MHC-I) genes in a species subject to strong sexual selection, a socially polygynous songbird, the great reed warbler Acrocephalus arundinaceus.<br/>MHC genes play an important role in vertebrate adaptive immunity where they enable recognition and elimination of pathogens. Due to an ongoing co-evolution between hosts and their pathogens, the MHC genes are among the most variable genes known in vertebrates. It has been hypothesized that hosts benefit from having high MHC diversity, because this confers protection against a wider range of pathogens. Interestingly, we found evidence for a sexual conflict and for sexually differential selection on MHC-I diversity in our great reed warbler study population.<br/>It has been predicted that genes associated with disease resistance should be advantageous in terms of sexual selection, and this prediction is central to our hypothesis that sexual selection may drive sexually antagonistic selection on genes associated with the immune system. We therefore investigated whether MHC-I genes were associated with sexual selection in great reed warblers. Our results indicated that MHC-I diversity (i) conveys a ‘good genes’ benefit to females that select older males and males with large song repertoires, and (ii) affects the ability of males to acquire attractive territories. These results confirmed that MHC-I genes are associated with sexual selection, and thereby corroborated our hypothesis that sexual selection may be driving the observed sexual conflict over MHC-I diversity via immune regulating effects of sex hormones.<br/>Finally, we investigated the source of MHC-I genotypic variation in great reed warblers by analyzing segregation of MHC-I haplotypes and performing phylogenetic reconstruction on MHC-I alleles. We identified five distinct clades in a phylogenetic tree that indicate the presence of several divergent MHC-I loci in the great reed warbler genome. Analyses of positive selection implied that each putative MHC-I locus may have evolved slightly different functions. Importantly, variation in MHC-I diversity between haplotypes was largely explained by variation within two specific clades, suggesting that the sexual conflict over MHC-I diversity may be caused by sexually antagonistic effects associated with alleles from these clades in particular.<br/>Our results suggest that sexually antagonistic selection is an important force in the evolution of vertebrate adaptive immunity, which may be important for a comprehensive, evolutionary understanding of autoimmune diseases and other costs associated with immune responses in vertebrates. The results presented in this thesis invite further studies that investigate the generality of sexually antagonistic selection over immune system genes in other species, as well as more detailed studies of the mechanisms underlying such sexual conflicts.},
  author       = {Roved, Jacob},
  isbn         = {978-91-7753-929-2},
  language     = {eng},
  publisher    = {Biologiska institutionen, Lunds universitet},
  school       = {Lund University},
  title        = {MHC polymorphism in a songbird : Fitness, mate choice, and sexual conflict},
  url          = {https://lup.lub.lu.se/search/ws/files/57076804/Thesis_kappa_J_Roved_2019.pdf},
  year         = {2019},
}