Characterization of MHC class II variation in feral pigeons – copy number variation, polymorphism, and selection

Elk dier met een ruggengraat dat kaken heeft, bezit een geavanceerd intern beveiligingssysteem dat ontworpen is om indringers te herkennen. In het hart van dit systeem ligt een specifieke set genen die bekend staat als het Major Histocompatibility Complex. Denk aan deze genen als de blauwdrukken voor een set identificatiebadges die op het oppervlak van cellen worden gedragen. Deze badges tonen kleine fragmenten van eiwitten, wat fungeert als een visueel rapportcijfer dat het immuunsysteem vertelt of een cel een gezond onderdeel van het lichaam is of een vreemde indringer die een virus of bacterie met zich meedraagt. Als het immuunsysteem de badge als vreemd herkent, lanceert het een aanval om de dreiging te elimineren. Omdat de wereld van pathogenen constant verandert, moeten deze identificatiebadges ongelooflijk divers zijn. Als elk individu in een soort exact dezelfde badges zou hebben, zou een enkele nieuwe ziekte de gehele populatie kunnen wegvagen. In plaats daarvan bevoordeelt de natuur een grote variëteit aan badgeontwerpen, wat ervoor zorgt dat ten minste sommige individuen altijd in staat zullen zijn om nieuwe dreigingen te herkennen en te bestrijden.

Hoewel wetenschappers deze genetische systemen in detail hebben bestudeerd bij mensen en boerderijdieren zoals kippen, is de gedomesticeerde duif in dit opzicht een mysterie gebleven. Deze vogels zijn overal in onze steden, maar hun specifieke immuun-genetica is nog niet grondig in kaart gebracht. Een team van onderzoekers probeerde dit gat te vullen door de immuun-genen van wilde duiven in vijf grote steden in Polen te onderzoeken. Ze concentreerden zich op een specifiek deel van het immuunsysteem dat verantwoordelijk is voor het bestrijden van extracellulaire pathogenen, waarbij ze nauwkeurig keken naar hoeveel kopieën van deze genen elk vogel bezit en hoeveel variatie er binnen die kopieën bestaat. Hun werk onthult dat deze veelvoorkomende stadsvogels over een complexere genetische architectuur beschikken dan eerder aangenomen, waarbij individuen verschillende aantallen immuun-genkopieën dragen en duidelijke patronen van evolutie vertonen tussen twee eeuwenoude genfamilies.

De onderzoekers vingen 200 duiven in Gdańsk, Krakau, Łódź, Warschau en Wrocław, en verzamelden uit elke vogel een kleine bloedmonster. Vervolgens gebruikten ze geavanceerde DNA-sequencing om naar twee specifieke afstammelingen van immuun-genen te kijken, bekend als DAB1 en DAB2. Dit zijn eeuwenoude versies van dezelfde genfamilie die al miljoenen jaren behouden zijn gebleven binnen vogelsoorten. Het team telde niet alleen hoeveel verschillende versies van deze genen bestonden; ze probeerden ook te achterhalen hoeveel kopieën van elk gen aanwezig waren in de DNA van een enkele vogel. Dit is een moeilijke taak omdat standaard DNA-tests vaak moeite hebben om te onderscheiden of een vogel één kopie van een gen heeft of meerdere, vooral wanneer die kopieën zeer vergelijkbaar zijn. Door de patronen van de genetische sequenties zorgvuldig te analyseren, waren de onderzoekers in staat om de waarschijnlijke genetische samenstelling van elke vogel te reconstrueren.

Ze ontdekten dat de duiven een matige hoeveelheid variatie in hun immuun-genen droegen. Over de gehele groep geïdentificeerde het team 19 verschillende versies van het DAB1-gen en 24 verschillende versies van het DAB2-gen. De meest verrassende ontdekking was echter niet alleen de variëteit, maar het aantal kopieën. De meeste vogels leken één enkele kopie van elk gen-afstammeling te hebben, wat de standaardverwachting is. Maar een aanzienlijk aantal individuen droeg extra kopieën. Sommige vogels hadden drie kopieën van het DAB1-gen, en anderen hadden tot wel drie kopieën van het DAB2-gen. Dit betekent dat binnen dezelfde soort verschillende vogels een verschillend aantal van deze cruciale immuun-genen bezitten. De onderzoekers bepaalden dat deze extra kopieën geen willekeurige fouten waren, maar deel uitmaakten van specifieke genetische pakketten, of haplotypes, die sommige vogels hadden geërfd. Sterker nog, ze ontdekten dat sommige duiven één genetisch pakket met een enkele genkopie droegen en een ander pakket met drie genkopieën, wat resulteerde in een totaal van vier kopieën in dat individu.

De studie onthulde ook dat deze twee eeuwenoude gen-afstammelingen, DAB1 en DAB2, op verschillende manieren evolueren. Hoewel ze verwant zijn, hebben ze verschillende paden bewandeld. De DAB2-afstammeling vertoonde een sterker signaal van diversificerende selectie, wat de evolutionaire druk is die het immuunsysteem verandert om nieuwe pathogenen te herkennen. Dit suggereert dat DAB2 onder intense druk staat om divers en aanpasbaar te blijven. In contrast hiermee vertoonde de DAB1-afstammeling een sterker signaal van recombinatie, een proces waarbij genetisch materiaal wordt uitgewisseld tussen kopieën om nieuwe combinaties te creëren. Dit geeft aan dat DAB1 meer vertrouwt op het herschikken van bestaand genetisch materiaal om variëteit te creëren, terwijl DAB2 meer vertrouwt op het accumuleren van nieuwe veranderingen. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat de extra genkopieën in de duiven niet zeer divers waren; ze neigden erg veel op de hoofdversie te lijken, wat suggereert dat ze relatief recente toevoegingen aan het genoom waren die nog geen tijd hadden gehad om hun eigen unieke identiteiten te ontwikkelen.

Deze bevindingen suggereren dat de variatie in het aantal immuun-genkopieën geen zeldzaam ongeluk is, maar een veelvoorkomend kenmerk in vogels kan zijn. Het feit dat deze variatie bestaat in wilde duiven, die een lange geschiedenis hebben van het leven naast mensen en het aanpassen aan stedelijke omgevingen, benadrukt de complexiteit van hun immuunsystemen. De onderzoekers merkten op dat de algehele genetische diversiteit in deze duiven relatief laag was, wat overeenkomt met wat bekend is over hun geschiedenis van domesticatie en populatie-bottlenecks. Ondanks deze lagere diversiteit voegt de aanwezigheid van meerdere genkopieën in sommige individuen een laag van complexiteit toe die hen kan helpen overleven in pathogeenrijke stedelijke omgevingen. De studie concludeert dat de gedomesticeerde duif een waardevol model is voor het begrijpen van hoe immuunsystemen evolueren, met name in hoe gen-duplicatie en variatie bijdragen aan het vermogen om ziekte te bestrijden. Door te onthullen dat deze veelvoorkomende vogels een verschillend aantal immuun-genen dragen, opent het onderzoek de deur naar verder onderzoek naar hoe deze genetische verschillen de gezondheid van zowel de vogels als de mensen bij wie zij leven beïnvloeden.