Molecular and population genetic analysis of polymorphism at the antibody loci IgGCH2 and IgVH ...

230 Pages·2009·59.7 MB·English

Pedro José de Castro Esteves
Molecular and population genetic analysis
of polymorphism at the antibody loci
IgGCH2 and IgVH in lagomorphs
Faculdade de Ciências
Universidade do Porto
2003
Pedro José de Castro Esteves
Molecular and population genetic analysis
of polymorphism at the antibody loci
IgGCH2 and IgVH in lagomorphs
Dissertação apresentada à Faculdade de
Ciências da Universidade do Porto para
obtenção do grau de Doutor em Biologia
Faculdade de Ciências
Universidade do Porto
2003
À minha filha Mariana e aos meus pais
»
Declaração
Na elaboração desta dissertação e nos termos do n° 2 do artigo 8 do decreto-lei n°
388/70, foi feito o aproveitamento total dos resultados de trabalhos já publicados ou
submetidos para publicação, que fazem parte integrante de alguns capítulos da presente
dissertação. Em todos estes trabalhos, o candidato participou na obtenção, análise e
discussão dos resultados, assim como na redacção dos manuscritos.
Acknowledgements
Many thanks to my supervisor, Professor Wessel van der Loo for his considerable
scientific input in this project. I have appreciated his dedication and friendship throughout
my PhD. His many constructive comments helped me to grow as a researcher. I hope to
continue to work with him to answer the many remaining questions raised by this thesis.
Thanks to Professor Katherine Knight for giving me the opportunity to work in her
laboratory in the United States. Thanks also to all the people from her lab who made my stay
very pleasant. Especial thanks to Dennis for many enjoyable conversations and friendship,
and for all his help with the work. Thanks also to Mae and Rod for their excellent
accommodation and friendship.
Thanks to the many other people who have helped during my thesis, including James
Harris, Steve Weiss and Guillaume Queney.
Agradecimentos
Para a concretização deste trabalho colaboraram muitas pessoas e instituições, às
quais expresso todo o meu agradecimento.
Em primeiro lugar, quero agradecer ao meu co-orientador, Professor Doutor Nuno
Ferrand de Almeida todo o empenho e entusiasmo que revelou no decorrer deste trabalho, a
enorme confiança que sempre depositou em mim, bem como todas as discussões cientificas
tão enriquecedoras e importantes para a conclusão deste trabalho. Agradeço-lhe ainda todas
as facilidades que me proporcionou nos aspectos científicos e logísticos, bem como a forma
correcta e franca com que sempre se relacionou comigo.
Ao Paulo Célio quero agradecer toda a ajuda que me deu na árdua tarefa de obter
amostras, bem como todo o apoio que sempre demonstrou. Ao Professor Doutor Jorge
Rocha agradeço os primeiros ensinamentos na área da genética, bem como a sua
contribuição no artigo de Porto Santo. À Madalena Branco agradeço a disponibilidade
demonstrada em me ajudar na análise de dados.
À Fundação para a Ciência e Tecnologia agradeço a atribuição da bolsa de
Doutoramento, sem a qual teria sido impossível a concretização desta dissertação.
À Catarina agradeço todo o carinho, entusiasmo, paciência e amizade demonstrada,
bem como toda a imprescindível ajuda na redacção e discussão da tese.
À Rita agradeço o sacrifício, solidariedade, carinho e amizade demonstrada todos
estes anos.
A todos os colegas de Vairão, agradeço toda a camaradagem e o bom ambiente de
trabalho que sempre proporcionaram, bem como o saudável modo como discutiram os meus
resultados. Em particular ao Rui Faria, ao Armando Geraldes, ao Pedro Cardia e ao Sequeira
quero agradecer toda a amizade e companheirismo que sempre demonstraram, bem como
todas as deliciosas horas de amena cavaqueira.
A todos os colegas do FCAV (clube da bola) agradeço todos os bons momentos e o
facto de terem possibilitado que eu demonstrasse todas as minhas enormes (!!!) capacidades
futebolísticas. À Teresa todos os cafezinhos, tão necessários para acabar a tese.
A todos os meus amigos agradeço o enorme interesse e ânimo que sempre
demonstraram. Em especial a Sara, o Sequeira e o Rui "Spider" pelo enorme apoio que me
deram em momentos muito difíceis da minha vida. Ao Nina agradeço o companheirismo, a
amizade e o enorme interesse que sempre demonstrou pelo meu trabalho.
A minha família, os meus pais, as minhas irmãs, os meus sobrinhos e cunhado
agradeço todo o incentivo e apoio que sempre demonstraram.
A Marianinha agradeço a paciência que teve comigo, sempre pronta a perdoar-me as
minhas ausências. Os seus carinhos e beijos tornaram bem mais fácil a execução desta tese.
Table of contents
Summary
Resumo
Résumé
Introduction 13
Chapter 1. Essentials 17
Basic Immunology ^
Structure and function of Antibodies 20
The antigen-binding sites 22
Fc region 23
Hinge region 24
Heavy-light domains interactions 24
Immunoglobulin classes 25
Genomic organization of Ig genes 26
Heavy Chain 26
Light Chain 29
Immunoglobulin class switch 30
Generation of antigen-binding repertoire 31
Post-rearrangement diversification 33
Rabbit taxonomy and genetics 35
Taxonomy of Lagomorpha group 35
The genetic diversity of European rabbit 36
Mitochondrial DNA (mtDNA) 37
Genetic variation of Proteins 37
Rabbit Ig allotypes 38
Microsatellite markers 39
Domestication 39
The rabbit in Immunological research 4°
42
Citations
Chapter 2. Genetic variation at the constant region of the 53
IgG antibody in leporids
Introduction 55
Rabbits possess only one IgG class 55
Indirect evidence for adaptive variation at the rabbit IgG CH2 55
domain (e-locus)
Article 1
P.J. Esteves, P.C. Alves, N. Ferrand and W. van der Loo (2002). 59
Restriction fragment alleles of rabbit IGHG genes with reference to
the rabbit IGHGCH2 or e locus polymorphism. Animal Genetics
33:309-311.
Genetic diversity at the IgGCH2 region in Oryctolagus 65
cuniculus
The phylogeny of IgGCH2 69
Article 2
P.J. Esteves, P.C. Alves, N. Ferrand and W. van der Loo (2002). 73
Hotspot variation at the CH2-CH3 interface of Leporid IgG
antibodies (Oryctolagus, Sylvilagus and Lepus). European Journal
of immunogenetics 29 (6): 529-36.
Variability at position 309 among mammalian species 83
Citations 86
Chapter 3. Studies of gene diversity at the Heavy chain 91
variable region gene locus (a locus or IgV locus) in
H
leporids
Introduction 93
Population genetic studies 95
Indications that the V l polymorphism can be trans-specific 96
H
The diversification of Ab primary repertoire in the rabbit 96
Evolution of V gene family 98
H
Different hypotheses to explain the large inter-allelic differences 100
among V 1 genes
H
Material and Methods 101
Serological analyses 101
Analysis of genetic diversity 102
Sequencing of VDJ gene segments and germline V gene segments 102
H
Phylogenetic analysis 103
Results and Discussion
Genetic diversity in Iberian rabbit populations
Analysis of genetic diversity
Cytonuclear disequilibria (a locus vs mtDNA)
Article 3
P.J. Esteves, D. Lanning, S.K. Zhai, N. Ferrand, K.L. Knight and
W. van der Loo (submitted). Allelic variation at the V^x locus in
natural populations of rabbit (Oryctolagus cuniculus, L.)
Genetic diversity in Lepus species
Article 4
P.J. Esteves, D. Lanning, S.K. Zhai, N. Ferrand, K. L. Knight and
W. van der Loo (submitted). The evolution of immunoglobulin
heavy chain variable region (JgV ) in Leporids: a case of trans-
H
species polymorphism
Understanding the large inter-allelic differences at the V 1 locus
H
Evolution of V genes in the lagomorph group
H
Citations
CHAPTER 4. Evaluation of the bottleneck effect in the
Porto Santo wild rabbit population
Introduction
Material and Methods
Assessment of genetic diversity
Statistical tests to detect bottleneck situations
Results and Discussion
Assessment of genetic diversity
Phylogeographic origin of Porto Santo rabbit population
Nuclear markers
Mitochondrial DNA
Article 5
PJ. Esteves, S. Weiss, J. Rocha, G. Queney, M. Branco, W. van
der Loo and N. Ferrand (submitted). The "Rabbit-Eve" of Porto
Santo: A 500 year-old mammalian population derived from a single
female
Evaluating bottlenecks in wild rabbit populations
The likelihood that one single pregnant female originated the Porto
Santo rabbit population
Implications for the trans-generic origin of the complex Ig allotypes
Citations
Chapter 5. Conclusions 201
Gene diversity at the e locus (IgGCH2) in Oryctolagus cuniculus 203
Gene diversity at the IgVH in leporids 204
Evaluating the bottleneck effect in the Porto Santo wild rabbit 207
population
Appendix 1 209
Appendix 2 217