Host-parasite genomics and ecology: linking genes and transcriptomes to disease and contemporary selection

Abstract

Infectious diseases in natural populations are important areas of research in ecology and evolution as they describe how parasites influence the host fitness. A host may undergo adaptive evolution against the parasite by acquiring either resistance or tolerance through developing intricate biochemical and molecular defence strategies. However, the knowledge about the genes associated with these traits remains limited. Furthermore, the strength of ongoing natural selection on transcript abundance has not been studied directly, despite the fact that gene regulation has a major role in adaptive evolution. In this thesis, I applied genomic and transcriptomic approaches to study the host parasite system of anadromous brown trout (Salmo trutta) infected with a myxozoan parasite, Tetracapsuloides bryosalmonae. In salmonids, T. bryosalmonae causes an emerging temperature-dependent disease, proliferative kidney disease (PKD). The parasite infects the kidney and spleen of juvenile fish, and at elevated temperatures, causes strong inflammatory response, anaemia and kidney hypertrophy.

In this thesis, I performed one of the first association mapping attempts on parasite resistance and tolerance in brown trout and demonstrated the possibilities as well as limitations of association analysis in natural populations. As there was very limited genomic information available for T. bryosalmonae, I also generated an annotated assembly of the parasite transcriptome. Furthermore, by combining -omic approaches with genetic mark-recapture and classical regression-based selection analysis, I demonstrated the effect of temperature-driven parasite-induced contemporary natural selection on transcript abundance and co-regulated gene networks in this wild vertebrate species.

I identified several promising candidate genes involved in PKD resistance and severity in brown trout. I also characterized more than three thousand transcripts of T. bryosalmonae. Among these, I also identified four novel protein drug targets, which can help in curing the infected fish. I also showed that the myxozoan parasite induces massive cell proliferation in the fish host whose variation is associated with the survival selection on the co-regulated gene networks. The directional selection on the individual transcript abundances was weak, similar to the published selection estimates on phenotypic traits. Finally, I also discovered many transcripts exhibiting widespread signal of disruptive selection, related to host immune defence, host–pathogen interactions, cellular repair and maintenance.

Overall, my thesis showcases the power of integrating ecological and genomic perspectives to gain novel insights into the functional genomic basis of resistance against a parasite, health damage (i.e., anaemia) caused by the parasite and the ongoing associated natural selection in the wild. Altogether, my thesis combines multiple levels of biological complexities and represents a significant step forward towards understanding the molecular basis of T. bryosalmonae and PKD.

<b>Isäntä-loissuhteen genomiikka ja ekologia: geenien ja transkriptomien yhdistäminen sairauksiin ja valintaan</b>

arttuvat taudit luonnonpopulaatioissa ovat tärkeitä ekologian ja evoluution tutkimuskohteita koska ne kuvaavat, kuinka loinen vaikuttaa isäntänsä kelpoisuuteen. Isännässä voi kehittyä evolutiivisia adaptaatioita loista vastaan joko resistenssin tai toleranssin kautta. Tällaisten piirteiden voidaan katsoa olevan isännässä kehittyneitä biokemiallisia ja molekyylisiä puolustusstrategioita loisia vastaan. Näihin piirteisiin liittyviä geenejä tunnetaan heikosti. Lisäksi luonnonvalinnan voimakkuutta transkription määrään ei ole tutkittu suoraan, huolimatta siitä, että geenisäätelyllä on tärkeä rooli adaptiivisessa evoluutiossa.

Tässä väitöskirjassa käytin genomisia ja transkriptomisia lähestymistapoja Tetracapsuloides bryosalmonae -loistartunnan saaneen anadromisen taimenen (Salmo trutta) isäntäloisjärjestelmän tutkimiseen. Lohikaloissa T. bryosalmonae aiheuttaa lämpötilasta riippuvan sairauden, proliferatiivisen munuaissairauden (PKD). Tämä Myxozoa-pääjaksoon kuuluva loinen infektoi nuorien kalojen munuaiset ja pernan, ja aiheuttaa korkeissa lämpötiloissa voimakkaan tulehdusvasteen, anemiaa ja munuaisten liikakasvua. Tein ns. ”association mapping”-analyysin liittyen taimenen resistenssiin ja toleranssiin T. bryosalmonae-loista kohtaan, ja osoitin sekä assosiaatioanalyysin käytön mahdollisuudet että rajoitukset tutkittaessa luonnonpopulaatioita. Koska T. bryosalmonaesta oli saatavilla hyvin vähän genomista tietoa, loin myös annotoidun koosteen loisen transkriptomista.

Lisäksi, yhdistämällä kolme metodia: ns. ”-omics”-lähestymistavan, geneettisen merkintäjälleenpyynnin ja klassiseen regressioon perustuvan valinta-analyysin, pystyin osoittamaan lämpötilasta riippuvaisen loisinfektion indusoiman luonnonvalinnan vaikutuksen transkription määrään ja yhteissäädeltyihin geeniverkostoihin tässä luonnossa elävässä selkärankais-lajissa.

Tunnistin useita lupaavia kandidaattigeenejä, jotka liittyvät PKD-resistenssiin ja taudin vaikeusasteeseen taimenessa. Kuvasin myös yli kolmetuhatta T. bryosalmonaen transkriptia. Näiden joukosta tunnistin myös neljä uutta proteiinilääke-kohdetta, joiden avulla voidaan parantaa tartunnan saaneita kaloja. Lisäksi osoitin, että tämä Myxozoan-pääjaksoon kuuluva loinen indusoi massiivista solujen lisääntymistä kalaisännässä, ja jonka vaihtelu liittyy selviytymisvalintaan yhteissäädellyissä geeniverkostoissa.

Yksittäisten transkriptien runsauteen kohdistuva suuntaava valinta oli heikkoa, ollen samantasoista kuin kirjallisuudessa esitetyt arviot fenotyyppisiin ominaisuuksiin kohdistuvasta valinnasta. Löysin myös monia transkripteja, joihin kohdistui hajoittavaa valintaa. Nämä liittyvät isännän immuunipuolustukseen, isännän ja patogeenin väliseen vuorovaikutukseen, solujen korjaamiseen ja ylläpitoon.

Väitöskirjani tuo hyvin esille ekologisten ja genomisten lähestymistapojen yhdistämisestä avautuvat uudet tutkimusmahdollisuudet ja näkökulmat loisen vastustuskyvyn genomiseen ja toiminnalliseen perustaan, loisen aiheuttamaan terveyshaittaan (eli anemiaan) ja siihen liittyvään luonnonvalintaan. Väitöskirjani yhdistää monia biologian tasoja ja on merkittävä askel kohti T. bryosalmonaen ja PKD:n molekyyliperustan ymmärtämistä.