Selection on the mitochondrial haplogroup H in Homo sapiens and its putative role in protecting against sepsis

Abstract

For the past decade, mitochondrial DNA (mtDNA) studies have attained the maximum of resolution by the sequencing of the complete genome (16,569 bp). Currently, there are over 34,000 mtDNA complete sequences deposited in GenBank from random individuals representing several worldwide populations. Groups of related individuals, sharing common-ancestry polymorphisms, form the mtDNA haplogroups. Haplogroup H is unique amongst mtDNA haplogroups given its unusually high frequency in most European (around 40% or over). Demographic events can have contributed to this fact, such as the post-glacial expansion of sub-haplogroups H1 and H3 from the Iberian refugium, but it is still possible that positive selection acted upon this haplogroup in Europe throughout the generations. Supporting the positive claim, evidence has been published that haplogroup H confers increased resistance against sepsis. This project aimed to shed light on the hypothesis of positive selection acting upon haplogroup H. Initially, a theoretical evaluation of signs of positive selection across the haplogroup H phylogenetic tree (currently close to 10,000 complete sequences) was conducted, comparing against other contemporaneous haplogroups (outside of Europe), namely the A2 and B2 haplogroups. The most recent sub-clades of H haplogroup showed to be under the effects of negative selection, as the average pathogenicity score was higher in younger than in older branches, in common with all the other mtDNA groups. Moreover, it was confirmed that H haplogroup (along with the A2 and B2 haplogroups) displayed signs of positive selection over their evolution, and the identified positively selected loci were conserved in terms of chemical/electrical properties along primates and mammals. Afterward, several in vitro infection assays of macrophages from H and non-H individuals were performed in order to evaluate and compare infection rates. Simultaneously, the production of reactive oxygen species (ROS) was measured in those assays. At this moment results are not conclusive, but they allowed us to better design the laboratorial protocol that should be conducted in a larger number of samples.

Durante a década passada, estudos de DNA mitocondrial (mtDNA) alcançaram a máxima resolução através da sequenciação do genoma completo (16,599 bp). Atualmente, existem cerca de 34,000 sequências completas de mtDNA, depositadas no GenBank, provenientes de indivíduos aleatórios, representando assim várias populações mundiais. Grupos de indivíduos relacionados, que partilham polimorfismos de ancestralidade comuns, formam os haplogrupos de mtDNA. O Haplogrupo H é único entre os restantes haplogrupos de mtDNA, dada a sua invulgar alta frequência em populações Europeias (cerca de 40% ou mais). Eventos demográficos podem ter contribuído para este facto, tais como a expansão pós-glacial dos sub-haplogrupos H1 e H3 do refúgio Ibérico, mas é também possível que seleção positiva tenha atuado sobre este haplogrupo durante as gerações, na Europa. Estudos que evidenciam a capacidade do haplogrupo H de aumentar a resistência contra sepsis, apoiam esta hipótese. Este projeto teve como objetivo esclarecer a hipótese de que possa haver um efeito de seleção positiva a atuar sobre o haplogrupo H. Inicialmente, procedi a uma avaliação teórica dos sinais de seleção positiva por toda a árvore filogenética do haplogrupo H (atualmente com quase 10,000 sequências completas), comparando com outros haplogrupos contemporâneos (fora da Europa), os haplogrupos A2 e B2. Mostrou-se que os sub-clados mais recentes do haplogrupo H estavam sob o efeito de seleção negative, visto que o valor médio de patogenicidade era maior em ramos mais recentes do que em ramos mais antigos, algo em comum com todos os grupos de mtDNA. Mais ainda, confirmouse que o haplogrupo H (juntamente com os haplogrupos A2 e B2) mostravam sinais de seleção positiva ao longo da sua evolução, e os loci que foram identificados como estando sujeitos a seleção positiva estavam conservados em termos de propriedades químicas/elétricas em primatas e outros mamíferos. Mais ainda, efetuamos vários ensaios de infeção in vitro em linhas celulares H e não-H de modo a avaliar e comparar taxas de infeção. Ao mesmo tempo, foi medida a produção de espécies reativas de oxigénio (ROS), durante estes testes.