The origin and evolution of functional haemoglobin polymorphism in the bank vole Clethrionomys glareolus

Bc. Michaela Strážnická

Master's thesis

Původ a evoluce funkčního polymorfismu hemoglobinu norníka rudého (Clethrionomys glareolus)

Abstract:

Norník rudý (Clethrionomys glareolus) může nést jednu ze dvou geneticky určených variant hemoglobinu, které se od sebe odlišují funkční aminokyselinovou záměnou v beta globinu, kdy 52Ser je nahrazen 52Cys. Zodpovědná nukleotidová záměna (SNP) segreguje jak na majoritním tak na minoritním genu kódujícím beta globin a záměna aminokyselin zvyšuje odolnost červených krvinek vůči oxidativnímu poškození. Je proto považována za možného původce nahrazení jedné kolonizující populace norníka rudého později příchozí druhou populací, ke kterému došlo v Británii během postglaciální kolonizace. Tento příklad toho, že současná distribuce různých populací jednoho druhu může být výsledkem působení selekce na genetické rozdíly mezi jednotlivými populacemi, dělá z norníka ideální modelový druh pro studie adaptivní fylogeografie. Ve své práci jsem pomocí pyrosekvenování na platformě PyroMark Q24 zmapovala rozšíření alely 52Cys v populacích norníka rudého napříč Evropou a určila tak nejpravděpodobnější geografický původ této alely. Na základě dat ze Sangerova sekvenování kompletních sekvencí obou genů jsem zrekonstruovala fylogenetické vztahy alel 52Cys a 52Ser z různých částí areálu. Výsledky poukazují na možný nejednotný mutační původ alel 52Cys, což znamená, že tak nemusejí být pouze dědictvím selekce v jednom glaciálním refugiu. Tuto hypotézu potvrzují výsledky analýzy genové konverze, které naznačují, že minoritní gen díky své výrazně nižší expresi a tím pádem také nižšímu selekčnímu tlaku může sloužit jako jakýsi "zásobník" alely 52Cys v populaci. Alela pak může být čas od času z minoritního genu přenesena do silněji exprimovaného genu majoritního, otestována selekcí na svou momentální výhodnost a buď z HBB-T1 opět vyloučena nebo zafixována. Některé populace tak mohou být důležitější pro přežití druhu pod vlivem určitých podmínek než jiné, což je závěr, který významně mění náš pohled na druh jako smysluplnou konzervační jednotku.

Abstract:

Bank voles (Clethrionomys glareolus) can possess one of two haemoglobin variants differing by a functional amino acid substitution in the beta globin, where 52Ser is substituted by 52Cys. The underlying SNP segregates in both major and minor beta globin genes and the substitution increases the resistance of red blood cells to oxidative damage. It was therefore considered as a possible promoter of the post-glacial replacement of bank voles in Britain where the first colonizing population was replaced by a later arriving one. This example that the current distribution of populations of one species might be a result of selection acting upon genetic differences between them makes the bank vole an ideal model for adaptive phylogeographic studies. I mapped the 52Cys distribution in the bank vole populations across Europe by pyrosequencing on the PyroMark Q24 platform and determined the most likely geographic origin of the allele. Based on data from Sanger sequencing of the entire genes I reconstructed the phylogenetic relationships of the 52Cys and 52Ser alleles from different parts of the distribution area. The results point to possible multiple origins of 52Cys, meaning that the allele is not necessarily a legacy of selection in a single glacial refugium. This is supported by the gene conversion analysis, which suggested that the minor gene can, due to its lower expression and thus lower exposure to selection, serve as a reservoir of 52Cys in a population. The allele can once in a while be transferred by gene conversion from HBB-T2 into the highly expressed HBB-T1 and tested by natural selection for current advantage, and either eliminated from HBB-T1 or fixed. Some populations may thus be more important for a species survival under certain conditions than others, a conclusion changing our perception of the species as a sound conservation unit.

Keywords

norník rudý, Clethrionomys glareolus, Myodes glareolus, DNA, evoluční adaptace, GIS, glaciální refugia, hemoglobin, protein, doba ledová, postglaciální kolonizace, genová konverze, pyrosekvenování, oxidační stres

Keywords

bank vole, Clethrionomys glareolus, DNA, evolutionary adaptation, GIS, glacial refugia, haemoglobin, ice age, Myodes glareolus, postglacial colonization, protein, pyrosequencing, oxidative stress, gene conversion

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 4. 2015

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Petr Kotlík, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Tropical AgriSciences

Master programme / field:
Tropical Agriculture / Wildlife Management in the Tropics and Subtropics