Functional and comparative immunology of a teleosts world without MHC II

Ideen til dette prosjektet ble unnfanget fordi vi oppdaget at torsken mangler en del av det ervervede immunforsvaret, nemlig «major histocompatibility complex II» (MHC II). Tidligere trodde man at MHC II var livsnødvendig hos virveldyr. Vi ønsket derfor å forske på det evolusjonære opphavet til immunforsvaret til torsk, og hvordan dette henger sammen med biotiske og abiotiske faktorer. Det første vi gjorde, var å sekvensere 65 genomer fra nære slektninger av torsken, samt arter med en liknende biologi, for så å lage et fylogenetisk artstre for teleoster (beinfisk). Sammenlikningen av disse genomene, avslørte at alle torskearter (ordenen gadiformes) mangler MHC II. Sammenligningen viste også at antall MHC I-gener varierer betydelig, og at denne variasjonen korrelerer med artsdannelse. Disse funnene ble publisert i prestisje-journalen Nature Genetics. Genomene utgjør et vesentlig bidrag til det vitenskapelige fellesskapet og er publisert i Scientific Data. Vi har senere økt antallet sekvenserte genomer til 101. Med dette datasettet gjorde vi også interessante funn knyttet til det medfødte immunforsvaret til teleoster, inkludert ekspansjoner i «NOD-like receptors» (NLR-er) hos torsk og en eksepsjonelt høy rate av ekspansjoner og tap av «Toll-like receptors» (TLR-er) hos torskefisk. Disse ekspansjonene er et resultat av diversifiserende seleksjon og sammenfaller med tapet av MHC II, samt tapet av Mx (et antivirusrelatert gen). Mer overordnet, så finner vi at TLR-ekspansjonene korrelerer med geografisk utbredelse og havdybde, mens tapene overlapper med paleoklimatiske overganger, noe som tyder på at det er en sammenheng mellom TLR-evolusjon og miljøtilpasning. Vi ønsket også å forstå funksjonelle aspekter ved immunforsvaret til arter uten MHC II. Ved å bruke et makrofagsystem har vi undersøkt responsen til transkriptomet (genuttrykket) på ulike patogener hos torsk. Overraskende nok, utløser ikke dyppvaksinering av torsk en sterk systemisk respons. Vi har også avdekket en ukonvensjonell respons ved bakteriell infeksjon, ved å se på genuttrykket til torsk infisert med bakterien F. noatunensis. MHC I-signalkjeden ble oppregulert og B-celler ble aktivert uavhengig av T-celler. I en annen studie fant vi at AID-genet, som igangsetter antigensmodning, er kuldetilpasset, noe som forklarer den svake antigenresponsen hos torsk. Det virker som om torsken er mindre avhengig av ervervet immunitet, med en nesten inaktivert AID, i tillegg til tap av MHC II. Et annet viktig aspekt ved tap av MHC II, er effekten det har på bakteriesamfunnet tarmen til torsken. Ved å bruke meta-genetiske metoder, avdekket vi at mikrobiomet består av relative få arter hos torsken. Meta-genomiske undersøkelser gir bedre oppløsning, slik at vi kunne slå fast at mikrobiomet domineres av to arter, og at én av disse (P. kishitanii) har et intakt gen for bioluminescens. Det var vesentlige forskjeller i mikrobiomet til to ulike torskeøkotyper (skrei og kysttorsk) og tre nære slektninger av torsken, der flere av bestandene har unike bakteriearter, som kan bidra til lokal tilpasning. Vi har oppnådd det overordnede målet med dette prosjektet, nemlig å øke vår forståelse av evolusjonære og funksjonelle aspekter ved immunforsvaret hos virveldyr. Genomene vi har sekvensert har også gjort det mulig å kaste lys over mange andre biologiske spørsmål rundt torsken ? og virveldyr generelt. Vi har publisert artikler om hemoglobingener og tilpasning til havdybde, opphavet til antifrysproteiner hos arktiske torskearter, evolusjon av syn via opsingener hos fisk, tap av «defensome»-regulatoriske gener hos torskefisk, repertoaret av repeterende elementer hos fisk, evolusjon av fordøyelsesenzymet colipase hos fisk, og evolusjonen av sigdcelleanemi hos torskefisk. Disse eksemplene understreker hvor viktig det er å generere genomiske ressurser for ulike arter, slik at vi kan besvare viktige biologiske spørsmål. De publiserte artiklene har tiltrukket seg betydelig mediaoppmerksomhet. For eksempel ble Malmstrøm et al. (2016), Baalsrud et al. (2018) og Eide et al. (2019) dekket av forskning.no, og verdien av slike komparative prosjekter ble omtalt i forskning.no og GENialt. Dette prosjektet har gitt opphav til nye samarbeidsinitiativer, slik som COMPARE (konvergensmiljø) og REPEAT (Toppforsk).

I dette prosjektet har vi oppnådd ny kunnskap om torskens immunsystem. Dette har potensielle implikasjoner også innen for det medisinske felt. Vi har generert et stort antall genomer for beinfisk. Dette er en betydelig ressurs for forskersamfunnet, og en potensiell kilde til innovasjon. For første gang har vi gjort et dypdykk i torskens mikrobiom. Kunnskapen her vil være verdifull både i forhold til miljøendringer og for framtidig akvakultur.

The mechanisms underlying the vertebrate immune response are remarkably complex. The fact that core elements of this system have been conserved since its emergence in the jawed vertebrate ancestor underscores the importance of the immune system as a cruci al component for host persistence. Remarkably, we have previously shown that Atlantic cod (Gadus morhua) has lost the major histocompatibility complex (MHC) II system. In humans, defects in this system lead to immunodeficiency and death. Moreover, specifi c gene expansions suggest that the Atlantic cod immune system has evolved alternative strategies to cope with this loss. Nevertheless, an evolutionary, functional and co-evolutionary understanding of this unique phenomenon is lacking. Here we will investi gate these issues through a multidisciplinary approach, by exploiting recent advances in genomics and state-of-the-art immunological functional tools. First, we will sequence a range of teleost lineages to investigate the evolutionary origin of the Atlant ic cod immune system with an aim to associate biological or environmental factors to the loss of MHC II and to investigate the necessity for alternative immunological strategies to emerge. Second, through in vitro and in vivo immunological experiments, we will provide a deeper understanding of the basic function of this immune system, potentially uncovering novel immune functionality at the gene or pathway level. Finally we aim investigate whether the loss of MHC II has an effect on the composition of the microbial community in teleosts, which would emphasize the important role of host-pathogen co-evolutionary dynamics. Overall, this work will generate a deeper understanding about the diversity and evolution of the vertebrate immune system, widening a per spective that has so far been restricted by the preferential use of mammalian model systems.