MHC polymorphism and host-pathogen interactions: The case of Borrelia in its reservoir host, the bank vole Myodes glareolus

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish I mitt doktorandprojekt har jag studerat den fästingspridda bakterien Borrelia och dess värddjur skogssork. Det övergripande syftet har varit att kartlägga den genetiska variationen i den delen av immunförsvaret som tar hand om bakterieinfektioner, som till exempel borrelia. I alla ryggradsdjur finns ett specifikt immunförsvar som kan identifiera små proteinbitar från exempelvis virus och bakterier (patogener). För att kroppen ska reagera och aktivera immunförsvaret behöver proteinbitarna binda till speciella molekyler vars ”arkitektur” beskrivs av generna i ett genkomplex kallat ’the Major Histocompatibility Complex’ (MHC). De flesta andra gener är lika mellan olika individer inom en art, men MHC-generna är helt klar ett undantag. Hos människosläktet finns det tusentals varianter av MHC-gener vilket gör att våra immunförsvar också skiljer sig åt. De molekyler som kan binda proteinbitar från borreliabakterier kodas av så kallade MHC klass II-gener. De mest variabla klass II-generna heter DRB och DQB. I avhandlingens första kapitel undersöker jag DRB- och DQB-generna hos skogssork och jämför molekylära skillnader mellan olika genvarianter. Jag kommer fram till att båda generna är mer variabla än vad som kan förväntas hade de förändrats slumpmässigt över tid sedan artens tillblivelse (evolutionär tid). Med hjälp av analyser av DNA kan jag dra slutsatsen att naturlig selektion har verkat för att bibehålla den stora mängden genetiska varianter av både DRB och DQB över evolutionär tid. Jag identifierar fler funktionella skillnader mellan olika sorkars DQB-gener än DRB-gener. Jag drar slutsatsen att selektionstrycket sannolikt har varit starkare på DQB än DRB. I kapitel två redogör jag för borrelians epidemiologi. Små transpondrar (mikrochip) injicerades under nackskinnet på sorkarna för att kunna följa en och samma individ över tid. Jag visar att sorkarna kan bli av med infektionen efter sommaren, när fästingarna inte längre är aktiva. Detta är en viktig upptäckt, eftersom man tidigare har trott att borrelia är en kronisk sjukdom hos vilda gnagare. I kapitel tre testar jag huruvida olika DQB-varianter har betydelse för sorkarnas försvar mot borreliainfektioner. Den molekylärgenetiska labbtekniken har under de senaste fem åren tagit enorma kliv framåt. I slutet av mitt projekt har jag kunnat utnyttja den senaste DNA-teknologin, så kallad ”next generation sequencing” för att undersöka MHC-variationen hos skogssork. Med den tekniken kan man läsa generna hos hundratals sorkar på samma tid som man med den gamla tekniken behövde för ett tiotal. Med DQB-data från mer än 500 sorkar lyckas jag visa på en skyddande effekt av en viss DQB-variant, som jag kallar H05. Sorkar som bär den skyddande DQB- varianten H05 har mer sällan borreliabakterier i huden än sorkar med andra DQB- varianter. Sorkar som i sin arvsmassa i stället bär DQB-varianten jag kallar H09 har oftare borreliabakterier i huden. H05 verkar dessutom koda för DQB-molekyler som är strukturellt sett annorlunda, jämfört med de andra DQB-varianterna som finns hos sorkpopulationen. Möjligen har borreliabakteriernas proteinbitar förändrats (evolverat) så att de inte längre känns igen av de vanligare DQB-varianterna. I så fall gynnas H05-sorkarna på grund av att de har en ovanlig struktur på sina DQB- molekyler. Om frekvensfördelningen av olika genetiska immunförsvarsvarianter hos ett värddjur leder till en förändring av fördelningen av olika genetiska varianter hos dess patogen och vice versa, så kallas det för co-evolution. Denna typ av frekvensberoende co- evolution uppges ofta vara den mest troliga förklaringen till varför det finns en sådan oerhörd mängd olika varianter av MHC-gener hos ryggradsdjur. Men för att denna förklaring ska vara giltig så får en individs MHC-gener inte ge resistens mot mer än ett begränsat antal genetiska varianter av en viss patogen; de får inte vara ett allmänt skydd mot alla patogenvarianter. Det finns väldigt få studier som har lyckats visa sådan specifik resistens. I kapitel fyra analyserar jag DQB-varianternas förmåga att ge resistens mot specifika varianter av borrelia (det finns sju olika borreliastammar i vår sorkpopulation). Jag visar att en DQB-variant som jag kallar H06 har en skyddande effekt mot vissa borreliavarianter samtidigt som den ger ett dåligt skydd mot andra. Jag drar slutsatsen att förutsättning finns för co-evolution mellan borrelia och DQB hos skogssork. Sammanfattningsvis kan sägas att naturlig selektion har verkat för att bibehålla många olika genetiska varianter av både DRB och DQB över evolutionär tid, men att selektionstrycket verkar ha varit starkare på DQB. Vilken genetisk variant av DQB som en sork bär på har betydelse för risken att borreliabakterier stannar i sorkens hud. En viss DQB-variant kan vara bra mot vissa borreliavarianter och dålig mot andra. Således finns förutsättningarna för co-evolution, där frekvensfördelningen av olika genetiska immunförsvarsvarianter hos skogssork leder till en förändring av den genetiska variationen hos borrelia och vice versa. Det är sannolikt att motsvarande interaktion mellan värddjur och patogener finns i andra värd-patogen system, men än så länge är det väldigt få som har kunnat visa detta i naturliga populationer.