TY  - THES
A1  - Schad, Julia
T1  - Evolution of major histocompatibility complex genes in New World bats and their functional importance in parasite resistance and life-history decisions in the lesser bulldog bat (Noctilio albiventris)
T1  - Evolution und Diversität von MHC Immungenen bei Fledermäusen und ihre funktionelle Bedeutung für fitness-relevante Merkmale bei einer neotropischen Fledermaus (Noctilio albiventris)
N2  - Immune genes of the major histocompatibility complex (MHC) constitute a central component of the adaptive immune system and play an essential role in parasite resistance and associated life-history strategies. In addition to pathogen-mediated selection also sexual selection mechanisms have been identified as the main drivers of the typically-observed high levels of polymorphism in functionally important parts of the MHC. The recognition of the individual MHC constitution is presumed to be mediated through olfactory cues. Indeed, MHC genes are in physical linkage with olfactory receptor genes and alter the individual body odour. Moreover, they are expressed on sperm and trophoplast cells. Thus, MHC-mediated sexual selection processes might not only act in direct mate choice decisions, but also through cryptic processes during reproduction. Bats (Chiroptera) represent the second largest mammalian order and have been identified as important vectors of newly emerging infectious diseases affecting humans and wildlife. In addition, they are interesting study subjects in evolutionary ecology in the context of olfactory communication, mate choice and associated fitness benefits. Thus, it is surprising that Chiroptera belong to the least studied mammalian taxa in terms of their MHC evolution. In my doctoral thesis I aimed to gain insights in the evolution and diversity pattern of functional MHC genes in some of the major New World bat families by establishing species-specific primers through genome-walking into unknown flanking parts of familiar sites. Further, I took a free-ranging population of the lesser bulldog bat (Noctilio albiventris) in Panama as an example to understand the functional importance of the individual MHC constitution in parasite resistance and reproduction as well as the possible underlying selective forces shaping the observed diversity. My studies indicated that the typical MHC characteristics observed in other mammalian orders, like evidence for balancing and positive selection as well as recombination and gene conversion events, are also present in bats shaping their MHC diversity. I found a wide range of copy number variation of expressed DRB loci in the investigated species. In Saccopteryx bilineata, a species with a highly developed olfactory communication system, I found an exceptionally high number of MHC loci duplications generating high levels of variability at the individual level, which has never been described for any other mammalian species so far. My studies included for the first time phylogenetic relationships of MHC genes in bats and I found signs for a family-specific independent mode of evolution of duplicated genes, regardless whether the highly variable exon 2 (coding for the antigen binding region of the molecule) or more conserved exons (3, 4; encoding protein stabilizing parts) were considered indicating a monophyletic origin of duplicated loci within families. This result questions the general assumed pattern of MHC evolution in mammals where duplicated genes of different families usually cluster together suggesting that duplication occurred before speciation took place, which implies a trans-species mode of evolution. However, I found a trans-species mode of evolution within genera (Noctilio, Myotis) based on exon 2 signified by an intermingled clustering of DRB alleles. The gained knowledge on MHC sequence evolution in major New World bat families will facilitate future MHC investigations in this order. In the N. albiventris study population, the single expressed MHC class II DRB gene showed high sequence polymorphism, moderate allelic variability and high levels of population-wide heterozygosity. Whereas demographic processes had minor relevance in shaping the diversity pattern, I found clear evidence for parasite-mediated selection. This was evident by historical positive Darwinian selection maintaining diversity in the functionally important antigen binding sites, and by specific MHC alleles which were associated with low and high ectoparasite burden according to predictions of the ‘frequency dependent selection hypothesis’. Parasite resistance has been suggested to play an important role in mediating costly life history trade-offs leading to e.g. MHC- mediated benefits in sexual selection. The ‘good genes model’ predicts that males with a genetically well-adapted immune system in defending harmful parasites have the ability to allocate more resources to reproductive effort. I found support for this prediction since non-reproductive adult N. albiventris males carried more often an allele associated with high parasite loads, which differentiated them genetically from reproductively active males as well as from subadults, indicating a reduced transmission of this allele in subsequent generations. In addition, they suffered from increased ectoparasite burden which presumably reduced resources to invest in reproduction. Another sign for sexual selection was the observation of gender-specific difference in heterozygosity, with females showing lower levels of heterozygosity than males. This signifies that the sexes differ in their selection pressures, presumably through MHC-mediated molecular processes during reproduction resulting in a male specific heterozygosity advantage. My data make clear that parasite-mediated selection and sexual selection are interactive and operate together to form diversity at the MHC. Furthermore, my thesis is one of the rare studies contributing to fill the gap between MHC-mediated effects on co-evolutionary processes in parasite-host-interactions and on aspects of life-history evolution.
N2  - Innerhalb des adaptiven Immunsystems spielen die Gene des MHC (Major Histocompatibility Complex) eine zentrale Rolle. Neben ihrer Funktion für die körpereigene Parasitenabwehr haben sie auch einen entscheidenden Einfluss auf damit verbundene ‚life-history’ Strategien. Typischerweise sind die funktional für die Pathogenerkennung wichtigen Genabschnitte hoch variabel, was evolutiv nicht nur durch die Vielfalt der Pathogene bedingt ist, sondern im Zuge der sexuellen Selektion durch entsprechende Partnerwahl gefördert wird. Dabei wird die individuelle MHC-Konstitution sehr wahrscheinlich über körpereigene Duftstoffe vermittelt, denn MHC Gene bestimmen nicht nur den individuellen Körpergeruch, sondern liegen in chromosomaler Kopplung mit olfaktorischen Rezeptorgenen. Außerdem werden sie auch auf Sperma- und Trophoplastenzellen exprimiert, so dass MHC-bedingte sexuelle Selektionsmechanismen nicht nur über die direkte Partnerwahl, sondern auch durch kryptische Mechanismen während der Fortpflanzung wirken können. Fledermäuse und Flughunde (Chiroptera) bilden die zweitgrößte Säugetiergruppe und gelten als wichtiges Reservoir und Überträger für den Menschen und andere Wildtiere hoch infektiöser Krankheiten. Innerhalb der evolutionären Ökologie sind sie außerdem auf Grund ihrer z.T. komplexen olfaktorischen Kommunikation während der Partner-wahl und den damit verbundenen fitness relevanten Vorteilen interessante Forschungsobjekte. In Anbetracht dessen ist es erstaunlich, dass bisher so gut wie nichts über den MHC in dieser Säugergruppe bekannt ist. Das Ziel meiner Dissertation war es, zum einen Einblicke in die Evolution und Diversität funktional wichtiger MHC Gene (MHC Klasse II DRB) bei Fledermäusen zu erhalten, und zum anderen zu untersuchen, inwieweit die individuelle MHC-Konstitution am Beispiel der kleinen Hasenmaulfledermaus (Noctilio albiventris) einen Einfluss auf Parasitenresistenz und Fortpflanzung hat und welche Selektionsmechanismen dabei für das entstandene genetische Diversitätsmuster verantwortlich sind. Meine Arbeit zeigt, dass Prozesse, die bei anderen Vertebratenordnungen das Diversitätsmuster am MHC hervorrufen, wie balancierende und positive Selektion, Rekombination und Genkonversion ebenfalls für Fledermäuse zutreffen. In der Anzahl exprimierter DRB loci unterscheiden sich die untersuchten Fledermausarten allerdings beträchtlich. Bemerkenswert ist die extrem hohe Anzahl DRB loci bei Saccopteryx bilineata, die in dieser Ausprägung noch bei keiner anderen Säugetierart beschrieben wurde, einer Fledermaus mit einem hoch entwickelten olfaktorischen Kommunikations-system. Die hier erstmals durchgeführten phylogenetischen Untersuchungen zeigen, dass sich anders als für die meisten anderen Säugetiergruppen beschrieben, die duplizierten DRB Loci unabhängig voneinander entwickelt haben. Dieser mono-phyletische Ursprung duplizierter Loci innerhalb von Fledermausfamilien bestätigte sich für alle Bereiche des Genes: dem hochvariablen Exon 2, das für den funktional entscheidenden Pathogen-bindenden Bereich des Proteins kodiert, sowie für Exon 3 und 4, die für die Molekülstruktur erhaltende Bereiche des Proteins kodieren. Innerhalb der Gattungen (Noctilio, Myotis), basierend auf Exon 2, fand ich das für andere Säugergruppen typische Bild eines ‚trans-species polymorphism’, bei dem MHC-Allele von verschiedenen Arten sich untereinander ähnlicher sein können als Allele der gleichen Art. Meine Ergebnisse sind ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der MHC Evolution in der Gruppe der Fledermäuse und liefern hilfreiche Kenntnisse für zukünftige Studien zum MHC in dieser Säugetierordnung. Meine Studien an einer frei lebenden Population der kleinen Hasenmaulfledermaus zeigten dass der exprimierte DRB Locus typische Anzeichen pathogenbedingter aber auch sexueller Selektionsmechanismen zeigt. Ich fand eine ausgeprägte populations-weite Heterozygotie, positive darwinsche Selektion, die den Polymorphismus in Codons die direkt an der Pathogenerkennung beteiligt sind erhält, sowie spezifische Allele die entweder mit einer erhöhten oder einer geringen Parasitenbelastung einhergehen, entsprechend den Annahmen der ‚Frequenz-abhängigen Selektions-Hypothese’. Die individuelle Parasitenresistenz gilt als ein wichtiger Faktor um ressourceabhängige ‚life-history’ Strategien auszuloten. Vor allem Männchen mit einem effektiven Immunsystem, sollten mehr Energien für die Fortpflanzung zur Verfügung haben (‚good-genes model’). Meine Daten bestätigen diese Annahme, Männchen die stärker parasitisiert waren, waren weniger häufig reproduktiv aktiv und trugen häufiger ein DRB-Allele das mit erhöhter Parasitenbelastung einherging. Genetisch unterschieden sie sich darin nicht nur von den reproduktiv aktiven Männchen der Population sondern auch von den Jungtieren. Die Jungtiere trugen zudem häufiger ein für die Parasitenabwehr vorteilhaftes Allel. Die Ergebnisse zeigen dass die individuelle MHC-Konstitution einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auch auf den Reproduktionserfolg eines Männchens haben kann und vorteilhafte Allele sich bereits in nachfolgenden Generationen durchsetzen. Meine Doktorarbeit gehört damit zu einer der seltenen Studien, die nicht nur zeigen konnte inwieweit der MHC an co-evolutionären Prozessen der Parasit-Wirt-Interaktion beteiligt ist, sondern dass er darüber hinaus auch direkt für die individuelle ‚life-history’ Entwicklung von Bedeutung ist.
KW  - MHC Klasse II
KW  - DRB Evolution
KW  - Fledermäuse
KW  - Chiroptera
KW  - Parasit
KW  - Fortpflanzung
KW  - Gute-Gene
KW  - Noctilio albiventris
KW  - MHC polymorphism
KW  - DRB evolution
KW  - selection
KW  - Chiroptera
KW  - ectoparasites
KW  - reproduction
KW  - good-genes-model
KW  - life history
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63513
ER  - 
TY  - THES
A1  - Axtner, Jan
T1  - Immune gene expression and diversity in relation to gastrointestinal parasite burden in small mammals
T1  - Immungenexpression und –diversität in Relation zur gastrointestinalen Parasitenbelastung bei Kleinsäugern
N2  - MHC genes encode proteins that are responsible for the recognition of foreign antigens and the triggering of a subsequent, adequate immune response of the organism. Thus they hold a key position in the immune system of vertebrates. It is believed that the extraordinary genetic diversity of MHC genes is shaped by adaptive selectional processes in response to the reoccurring adaptations of parasites and pathogens. A large number of MHC studies were performed in a wide range of wildlife species aiming to understand the role of immune gene diversity in parasite resistance under natural selection conditions. Methodically, most of this work with very few exceptions has focussed only upon the structural, i.e. sequence diversity of regions responsible for antigen binding and presentation. Most of these studies found evidence that MHC gene variation did indeed underlie adaptive processes and that an individual’s allelic diversity explains parasite and pathogen resistance to a large extent. Nevertheless, our understanding of the effective mechanisms is incomplete. A neglected, but potentially highly relevant component concerns the transcriptional differences of MHC alleles. Indeed, differences in the expression levels MHC alleles and their potential functional importance have remained unstudied. The idea that also transcriptional differences might play an important role relies on the fact that lower MHC gene expression is tantamount with reduced induction of CD4+ T helper cells and thus with a reduced immune response. Hence, I studied the expression of MHC genes and of immune regulative cytokines as additional factors to reveal the functional importance of MHC diversity in two free-ranging rodent species (Delomys sublineatus, Apodemus flavicollis) in association with their gastrointestinal helminths under natural selection conditions. I established the method of relative quantification of mRNA on liver and spleen samples of both species in our laboratory. As there was no available information on nucleic sequences of potential reference genes in both species, PCR primer systems that were established in laboratory mice have to be tested and adapted for both non-model organisms. In the due course, sets of stable reference genes for both species were found and thus the preconditions for reliable measurements of mRNA levels established. For D. sublineatus it could be demonstrated that helminth infection elicits aspects of a typical Th2 immune response. Whereas mRNA levels of the cytokine interleukin Il4 increased with infection intensity by strongyle nematodes neither MHC nor cytokine expression played a significant role in D. sublineatus. For A. flavicollis I found a negative association between the parasitic nematode Heligmosomoides polygyrus and hepatic MHC mRNA levels. As a lower MHC expression entails a lower immune response, this could be evidence for an immune evasive strategy of the nematode, as it has been suggested for many micro-parasites. This implies that H. polygyrus is capable to interfere actively with the MHC transcription. Indeed, this parasite species has long been suspected to be immunosuppressive, e.g. by induction of regulatory T-helper cells that respond with a higher interleukin Il10 and tumor necrosis factor Tgfb production. Both cytokines in turn cause an abated MHC expression. By disabling recognition by the MHC molecule H. polygyrus might be able to prevent an activation of the immune system. Indeed, I found a strong tendency in animals carrying the allele Apfl-DRB*23 to have an increased infection intensity with H. polygyrus. Furthermore, I found positive and negative associations between specific MHC alleles and other helminth species, as well as typical signs of positive selection acting on the nucleic sequences of the MHC. The latter was evident by an elevated rate of non-synonymous to synonymous substitutions in the MHC sequences of exon 2 encoding the functionally important antigen binding sites whereas the first and third exons of the MHC DRB gene were highly conserved. In conclusion, the studies in this thesis demonstrate that valid procedures to quantify expression of immune relevant genes are also feasible in non-model wildlife organisms. In addition to structural MHC diversity, also MHC gene expression should be considered to obtain a more complete picture on host-pathogen coevolutionary selection processes. This is especially true if parasites are able to interfere with systemic MHC expression. In this case advantageous or disadvantageous effects of allelic binding motifs are abated. The studies could not define the role of MHC gene expression in antagonistic coevolution as such but the results suggest that it depends strongly on the specific parasite species that is involved.
N2  - Die Hauptaufgabe von MHC-kodierten Proteinen ist die Erkennung von körperfremden Molekülen sowie das Einleiten einer adäquaten Immunantwort, womit sie eine Schlüsselrolle im Immunsystem der Wirbeltiere einnehmen. Man nimmt an, dass ihre außergewöhnliche Vielfalt eine Antwort auf die sich ständig anpassenden Parasiten und Krankheitserreger ist, durch adaptive Selektion erhalten wird und dass die individuelle Allelausstattung einen Großteil der Parasitenbelastung erklärt, wofür bereits zahlreiche MHC-Studien Hinweise gefunden haben. Trotzdem ist unser Verständnis über die wirkenden Mechanismen teilweise noch lückenhaft. Ein stark vernachlässigter Aspekt hierbei sind z.B. eventuelle Unterschiede in der Genexpression der MHC-Allele und eine geringere Expression wäre gleichbedeutend mit einer geringeren Aktivierung des Immunsystems. Ich habe hierzu zwei frei lebende Kleinsäugerarten (Delomys sublineatus, Apodemus flavicollis) unter natürlichen Selektionsbedingungen untersucht. Dabei habe ich neben der genotypischen Diversität von MHC-Genen auch deren Expression, sowie die Genexpression immunregulativer Zytokine mit in Betracht gezogen und in Relation zur individuellen Belastung mit gastrointestinalen Helminthen gesetzt. Anhand von Leber und Milzproben beider Arten habe ich die Methode der ‚real-time PCR‘ zur relativen Quantifizierung von mRNA im Labor etabliert. Bereits für die Labormaus etablierte PCR-Primersysteme wurden an beiden Arten getestet und so konnten stabile Referenzgene gefunden werden, die Grundvoraussetzung für zuverlässige Genexpressionsmessungen. Für D. sublineatus konnte gezeigt werden, dass Helminthenbefall eine typische Th2 Immunantwort induziert, und dass der Zytokin Il4 Gehalt mit Befallsintensität strongyler Nematoden zunimmt. Es wurde für D. sublineatus kein signifikanter Zusammenhang zwischen MHC Expression oder anderen Zytokinen mit Helminthenbefall gefunden. In A. flavicollis wurde ein negativer Zusammenhang zwischen haptischer MHC-Expression und dem parasitären Nematoden Heligmosomoides polygyrus festgestellt, was auf eine Immunvermeidungsstrategie des Nematoden hindeutet. Ich fand typische positive und negative Assoziationen zwischen MHC-Allelen und anderen Helminthenarten, sowie Zeichen eines positiven Selektionsdruckes auf den MHC-Sequenzen, was sich durch eine erhöhte Rate aminosäureverändernder Mutationen zeigte. Diese nicht-synonymen Veränderungen waren auf Positionen innerhalb des zweiten Exons des DRB-Genes beschränkt, wohingegen die untersuchten Bereiche des ersten und dritten Exons stark konserviert vorlagen. Diese variablen Positionen kodieren Schlüsselstellen im Bereich der Antigenbindungsstelle im MHC Molekül. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Genexpressionsstudien auch an Wildtieren durchgeführt und verlässliche Daten erzeugt werden können. Zusätzlich zur strukturellen Vielfalt sollten zukünftig auch mögliche Genexpressionsunterschiede bei MHC-Studien berücksichtigt werden, um ein kompletteres Bild der koevolutiven Wirt-Parasiten-Beziehungen zeichnen zu können. Dies ist vor allem dann von evolutiver Bedeutung, wenn die Parasiten in der Lage sind die MHC Expression aktiv zu beeinflussen. Die Studien konnten nicht die exakte Bedeutung von MHC-Genexpression in der antagonistischen Koevolution definieren, aber sie konnten zeigen dass diese Bedeutung stark von den jeweils beteiligten Partnern abzuhängen vermag.
KW  - Parasit
KW  - Co-Evolution
KW  - MHC
KW  - Apodemus
KW  - Delomys
KW  - Parasite
KW  - Co-Evolution
KW  - MHC
KW  - Apodemus
KW  - Delomys
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65639
ER  -