Variazione del numero di copie geniche e co-segregazione allelica in geni MHC IIβ del gattuccio - prospettiva da dati familiari

The Major Histocompatibility Complex (MHC) constitutes a functionally relevant multigene family that plays an essential role in the adaptive immune response in jawed vertebrates, being directly involved in pathogen recognition. Due to their function, MHC genes are believed to be influenced by different evolutionary processes and selective pressures, such as pathogen-driven selection and sexual selection. On account of those forces, the MHC system has evolved a complex genomic organisation with high copy number variation and high level of polymorphism which make MHC genes an intriguing biological puzzle. Due to the growing interest towards the MHC, the characterization of MHC genetic variation has been addressed across many different jawed vertebrate lineages and have often relied on high-throughput sequencing approaches in genotyping such complex and variable loci. However, the MHC genetic variation is still often poorly known in taxa with limited or no genetic reference sequence data; this is particularly true for elasmobranchs and chimeras. To date, the MHC gene organization and diversity remain unknown in this group. Furthermore, it is still unclear how the MHC diversity is functionally meaningful at the individual and family levels in these basal jawed vertebrates. To shed light on these matters, the first crucial step is to develop a robust technical protocol for MHC sequencing and genotyping in order to capture the entire MHC diversity. Using a large family dataset (around 100 individuals from 9 catshark families from Portugal and the United Kingdom) coupled with a high-throughput sequencing approach, we provide the first validated and reliable protocol for genotyping three MHC II genes in a shark species, the small-spotted catshark, also known as lesser spotted dogfish, Scyliorhinus canicula. Most importantly, the family data allowed to assess the allelic diversity and genomic organisation of MHC II genes in this species. Indeed, when studying the allelic segregation within families we show (i) the co-segregation of alleles suggesting a strong linkage among MHC II genes, and (ii) the presence of copy number variation in the small-spotted catshark. Ultimately, this study provides a much-needed protocol of MHC genotyping and knowledge of the genomic organisation of MHC genes for future studies aiming at understanding the role of MHC diversity in natural population of the small-spotted catshark, including population genetic structure analyses and putative association of MHC diversity and individual fitness. This research can also serve as a reference for other elasmobranchs, fostering additional studies towards an improvement of the knowledge and understanding of MHC evolution in this ancient group of jawed vertebrates.

Il Complesso Maggiore di istocompatibilità (MHC) rappresenta una famiglia multigenica che ricopre un ruolo essenziale nella risposta immunitaria adattativa dei vertebrati gnatostomi in quanto direttamente coinvolto nel riconoscimento dei patogeni. Grazie alla loro funzione chiave nell’immunità degli organismi, si ritiene che i geni MHC siano influenzati da diversi processi evolutivi e pressioni selettive, come selezione guidata da agenti patogeni e selezione sessuale. Questi stessi processi sono responsabili del mantenimento della diversità che caratterizza questi geni, sia in termini di polimorfismo, che in termini di variazione del numero di copie geniche. In studi recenti, il crescente interesse nei confronti della famiglia genica MHC ha portato a investigare questi geni in diverse specie di vertebrati, spesso riportando l’efficacia e l’utilità che un approccio di sequenziamento high-throughput (i.e. tecniche ad alta produttività) ha nel contrastare le difficoltà che genotipizzare di loci complessi e variabili come quelli MHC pone. Tuttavia, la caratterizzazione della variazione genica di questo complesso è ancora scarsa in specie non-modello con limitate sequenze di riferimento; questo è particolarmente vero per gli elasmobranchi e le chimere. Inoltre, è ancora poco chiaro quale sia il significato funzionale della diversità dei geni MHC nei vertebrati, sia a livello di individuo che di famiglia. Per approfondire la questione, si rende fondamentale lo sviluppo di un robusto protocollo tecnico per la genotipizzazione dei geni MHC per catturarne l’ampia diversità. Utilizzando un numeroso dataset di individui da famiglie (circa 100 individui da 9 famiglie di gattuccio provenienti dalle coste del Portogallo e del Regno Unito), insieme ad un approccio di sequenziamento high-throughput, nel presente studio proponiamo il primo protocollo per lo screening di geni MHC II validato in una specie di squalo, il gattuccio Scyliorhinus canicula. I dati familiari analizzati hanno permesso di valutare la diversità allelica e l’organizzazione genomica dei geni MHC II in questa specie. Infatti, studiando la segregazione allelica all’interno delle famiglie, mostriamo come (i) la co-segregazione di alleli suggerisce la presenza di un forte legame tra geni MHC II adiacenti e (ii) vi sia evidenza di variazione nel numero di copie di questi geni nel gattuccio. In conclusione, il presente studio fornisce un protocollo necessario per la genotipizzazione dei geni MHC e una conoscenza più approfondita sulla loro architettura genica, informazioni fondamentali per futuri studi finalizzati alla comprensione del ruolo della diversità del sistema MHC in popolazioni naturali di gattuccio, comprese analisi di struttura genetica di popolazione e studi di conservazione. Infine, questa ricerca può servire come riferimento di base per favorire addizionali studi in altre specie di elasmobranchi, sia dal punto di vista ecologico che da quello evolutivo, per incrementare così la nostra conoscenza sulla famiglia genica MHC in questo gruppo di organismi.