Selection and genetic diversity in the major histocompatibility complex genes of wolves and dogs

Abstract Hosts and pathogens are involved in a continuous evolutionary arms race, where pathogens attack and hosts defend themselves. The main tools for winning the race are natural selection and the genetic diversity that selection acts on. However, in small populations natural selection may be ineffective. Therefore, the genes taking part in immune defense may lack adaptability to new or changing pathogens. Major histocompatibility complex (MHC) is an important genomic region that includes highly polymorphic immune defense genes. In this doctoral thesis, I studied the natural selection and genetic diversity of MHC class II genes in dogs and Finnish wolves. I also used dog MHC diversity to estimate the number of founding wolves in dog domestication. The Finnish wolf population declined rapidly in size due to excessive hunting from the late 19th century until the early 20th century. After decades of a very small population size, the population started recovering in the mid-1990s. This study shows that, despite the fluctuations in population size, the diversity of the MHC loci in the Finnish wolf has remained high and comparable to the larger neighboring Russian Karelian wolf population. Unlike the neutral genetic markers, the MHC loci of the Finnish and Russian Karelian populations have not differentiated. These results indicate similar balancing selection acting on the MHC loci of the two wolf populations. In dogs, the strength of natural selection is likely weakened by artificial selection and veterinary care. The potential phases of natural selection would be during embryogenesis and fetal development. However, no strong signs of prenatal selection were found in this study. MHC diversity was estimated to be higher in Asian dogs than in dogs from Europe. A simulation study indicated a minimum of 500 founding wolves for the modern dog population. Dog MHC diversity implies an Asian origin for domestication from a large and diverse wolf population. Both natural selection and demography have an influence on the genetic diversity of a species. In small populations, random genetic drift is enforced. However, in loci with important fitness impacts, selection may be particularly strong and outweigh drift, as demonstrated in the MHC loci of a small wolf population in this study.Tiivistelmä Isäntä ja taudinaiheuttajat käyvät jatkuvaa kaksinkamppailua, jossa taudinaiheuttajat hyökkäävät ja isäntä puolustautuu. Kamppailussa menestymiseen tarvitaan geneettistä monimuotoisuutta sekä sen pohjalta toimivaa luonnonvalintaa. Pienissä populaatioissa luonnonvalinnan teho voi kuitenkin heikentyä, jolloin immuunipuolustukseen osallistuvat geenit eivät kykene sopeutumaan uusiin tai muuttuneisiin taudinaiheuttajiin. MHC-alueella (major histocompatibility complex) sijaitsee suuri joukko monimuotoisia immuunipuolustukseen osallistuvia geenejä. Väitöskirjassani tutkin luokan II MHC-geeneihin kohdistuvaa luonnonvalintaa ja niiden geneettistä monimuotoisuutta koirilla ja Suomen susilla. Arvioin myös koiran kesyttämisprosessiin osallistuneiden susien määrää nykykoiran MHC-monimuotoisuuden pohjalta. Suomen susipopulaation koko pieneni nopeasti voimakkaan metsästyksen vuoksi 1800-luvun lopulta 1900-luvun alkuun. Populaatio pysyi hyvin pienenä useita vuosikymmeniä, kunnes se alkoi elpyä 1990-luvun puolivälissä. Tutkimus osoitti, että populaatiokoon vaihteluista huolimatta Suomen susien MHC-geenien monimuotoisuus on säilynyt korkeana ja on vastaavalla tasolla kuin Venäjän Karjalan susipopulaatiossa. Suomen ja Venäjän Karjalan susipopulaatioiden MHC-geenit eivät ole erilaistuneet, vaikka populaatiot poikkeavat toisistaan neutraalien geenimerkkien suhteen. Samanlainen tasapainottava valinta näyttäisi kohdistuvan näiden susipopulaatioiden MHC-geeneihin. Keinotekoinen valinta ja eläinlääketieteellinen hoito todennäköisesti heikentävät koirien MHC-geeneihin kohdistuvaa luonnonvalintaa. Luonnonvalinta voisi yhä vaikuttaa alkion- ja sikiönkehityksen aikana, mutta tästä ei tutkimuksessa löytynyt todisteita. MHC-muuntelun määrän arvioitiin olevan suurempaa aasialaisissa kuin eurooppalaisissa koirissa. Simulaatiotutkimuksen mukaan nykyisen koirapopulaation perustamiseen olisi tarvittu vähintään 500 sutta. Tulokset viittaavat koiran kesyttämisen tapahtuneen Aasiassa suuresta ja monimuotoisesta susipopulaatiosta. Sekä luonnonvalinta että demografia vaikuttavat lajien geneettiseen monimuotoisuuteen. Pienissä populaatioissa satunnaisajautuminen voimistuu. Valinta voi kuitenkin olla erityisen voimakasta ja voittaa satunnaisajautumisen geeneissä, joilla on erityisen tärkeä vaikutus yksilön kelpoisuuteen, kuten tutkimuksessa osoitettiin pienen susipopulaation MHC-geenien kohdalla