MHC-1 variation and divergence in Death Valley pupfish populations: a preliminary analysis

Authors: Fisher, MT, Turner, BJ

Year: 1999 (xxxi)

Abstract

The genes of the Major Histocompatibility Complex (Mhc) encode cell-surface glycoproteins that serve as the interface between the environment and the immune system. These genes are the most polymorphic yet described and the mechanisms through which this polymorphism is generated are contentious. Polymorphism at Mhc loci is maintained in allelic lineages that evolve in a trans-specific fashion, passing from ancestral species to descendant species. Selection for novel peptide binding residues should be most intense during the speciation process, when nascent species are most likely to encounter novel pathogens as they invade new habitats. This hypothesis has been tested by isolating sequences encoding a portion of the peptide biding region of Mhc Class I molecules from members of the Death Valley pupfish ( Cyprinodon spp.) complex. This complex comprises a series of remnant populations that were stranded in diverse habitats following the drying of Lake Manley at the end of the Pleistocene. These isolates exhibit a variety of unique morphological and behavioral characteristics, but very little divergence at the molecular level. Our analysis yielded 35 unique sequences from one Mhc Class I locus across six populations/species within the complex. Translation to amino acid sequences indicated 14 functionally unique alleles. Four of these alleles were common, occurring in multiple populations. One allele was found twice, and was unique to one population, and the remaining seven alleles were found in only single individuals from single populations. These data offer tentative but not compelling support for our hypothesis that invasion of new environments results in selection for novel peptide-binding abilities in Mhc proteins. However, none of the unique alleles entailed unique amino acids, so that all these novel alleles might have been generated by inter-allelic recombination events. In the two most thoroughly sampled populations ( C. nevadensis nevadensis at Saratoga Springs and C. salinus salinus at Salt Creek), heterozygosity (H) equaled .846 and .727 (n = 13 and 12). This is strong evidence for overdominant selection at this locus, as at least one of these populations experienced historical population bottlenecks.

Resumen

Variación y divergencia del MHC-1 en poblaciones de peces cachorritos del Valle de La Muerte: un análisis preliminar Los genes del Gran Complejo de Histocompatibilidad (Mhc, por sus siglas en inglés) codifican glucoproteínas de la superficie celular que funcionan como interfase entre el ambiente y el sistema inmunológico. Estos genes son los más polimórficos hasta ahora descritos y los mecanismos de generación de tal polimorfismo son contenciosos. El polimorfismo en los loci Mhc persiste en linajes alélicos que evolucionan en forma trans-específica, pasando de especies ancestrales a especies descendientes. La selección a favor de residuos de enlaces peptídicos nuevos debiera ser de la mayor intensidad durante el proceso de especiación, cuando las especies emergentes tienen la mayor probabilidad de encontrarse con patógenos nuevos al invadir otros hábitats. Esta hipótesis fue probada mediante el aislamiento de secuencias que codifican una porción de la región de enlaces peptídicos de moléculas de la Clase 1 del Mhc (Mhc-1) de especímenes del complejo de cachorritos ( Cyprinodon spp.) del Valle de La Muerte (Death Valley). Este complejo está compuesto por una serie de poblaciones remanentes que quedaron aisladas en diversos hábitats después de que se secó el Lago Manley, hacia el final del Pleistoceno. Dichas poblaciones aisladas muestran una variedad de caracteres morfológicos y conductuales singulares, aunque muy poca devergencia al nivel molecular. Nuestro análisis arrojó 35 secuencias diferentes a partir de un locus de Mhc- 1 entre seis poblaciones/especies del complejo. La transformación a secuencias de aminoácidos indicó la existencia de 14 alelos con función única; cuatro de estos alelos fueron comunes y aparecieron en varias poblaciones. Uno de los alelos apareció dos veces y sólo en una población, y el resto de los siete alelos fueron hallados sólo en un especímen de poblaciones diferentes. Estos datos dan apoyo tentativo aunque no contundente a nuestra hipótesis de que la invasión de nuevos ambientes trae consigo la selección a favor de nuevas capacidades de enlaces peptídicos en proteínas Mhc. No obstante, ninguno de los alelos singulares implicaba aminoácidos singulares, y por lo tanto todos estos alelos nuevos pudieron haber resultado de la recombinación entre alelos. En las dos poblacions a las que se muestreó con mayor intensidad ( C. nevadensis nevadensis en los Manantiales de Saratoga, y C. salinus salinus en el Arroyo Salt) la heterocigocidad (H) fue 0.846 y 0.727 (n = 13 y 12). Esto constituye evidencia fuerte de selección sobre-dominante en este locus, ya que por lo menos una de estas poblaciones ha experimentado cuellos de botella históricos.