The genes of the major histocompatibility complex are the most polymorphic genes in vertebrates, with more than 1,000 alleles described in human populations. How this polymorphism is maintained, however, remains an evolutionary puzzle. Major histocompatibility complex genes have a crucial function in the adaptive immune system by presenting parasite-derived antigens to T lymphocytes. Because of this function, varying parasite-mediated selection has been proposed as a major evolutionary force for maintaining major histocompatibility complex polymorphism. A necessary prerequisite of such a balancing selection process is rapid major histocompatibility complex allele frequency shifts resulting from emerging selection by a specific parasite. Here we show in six experimental populations of sticklebacks, each exposed to one of two different parasites, that only those major histocompatibility complex alleles providing resistance to the respective specific parasite increased in frequency in the next host generation. This result demonstrates experimentally that varying parasite selection causes rapid adaptive evolutionary changes, thus facilitating the maintenance of major histocompatibility complex polymorphism. In vertebrates parasite-mediated selection is thought to maintain polymorphism in MHC genes where specific resistance MHC alleles increase under emerging selection. Here, experimental evidence is shown from six stickleback fish populations that varying parasite selection helps maintain MHC polymorphism.

Bats account for one-fifth of mammalian species, are the only mammals with powered flight, and are among the few animals that echolocate. The insect-eating Brandt’s bat (Myotis brandtii) is the longest-lived bat species known to date (lifespan exceeds 40 years) and, at 4–8 g adult body weight, is the most extreme mammal with regard to disparity between body mass and longevity. Here we report sequencing and analysis of the Brandt’s bat genome and transcriptome, which suggest adaptations consistent with echolocation and hibernation, as well as altered metabolism, reproduction and visual function. Unique sequence changes in growth hormone and insulin-like growth factor 1 receptors are also observed. The data suggest that an altered growth hormone/insulin-like growth factor 1 axis, which may be common to other long-lived bat species, together with adaptations such as hibernation and low reproductive rate, contribute to the exceptional lifespan of the Brandt’s bat. Bats account for 20 per cent of all mammals, these are the only mammals with powered flight, and are among the few animals that echolocate. Here, Seim et al. sequence the genome of the long-lived (>40 years) Brandt’s bat, Myotis brandtiiand provide clues to its evolution, longevity and other traits.

The highly polymorphic genes of the major histocompatibility complex (MHC) play a key role in adaptive immunity. Divergent allele advantage, a mechanism of balancing selection, is proposed to contribute to their exceptional polymorphism. It assumes that MHC genotypes with more divergent alleles allow for broader antigen-presentation to immune effector cells, by that increasing immunocompetence. However, the direct correlation between pairwise sequence divergence and the corresponding repertoire of bound peptides has not been studied systematically across different MHC genes. Here, we investigated this relationship for five key classical human MHC genes (human leukocyte antigen; HLA-A, -B, -C, -DRB1, and -DQB1), using allele-specific computational binding prediction to 118,097 peptides derived from a broad range of human pathogens. For all five human MHC genes, the genetic distance between two alleles of a heterozygous genotype was positively correlated with the total number of peptides bound by these two alleles. In accordance with the major antigen-presentation pathway of MHC class I molecules, HLA-B and HLA-C alleles showed particularly strong correlations for peptides derived from intracellular pathogens. Intriguingly, this bias coincides with distinct protein compositions between intra- and extracellular pathogens, possibly suggesting adaptation of MHC I molecules to present specifically intracellular peptides. Eventually, we observed significant positive correlations between an allele's average divergence and its population frequency. Overall, our results support the divergent allele advantage as a meaningful quantitative mechanism through which pathogen-mediated selection leads to the evolution of MHC diversity.

Abstract The human leukocyte antigen (HLA) locus is associated with more human complex diseases than any other locus. In many diseases it explains more heritability than all other known loci combined. Investigators have now demonstrated the accuracy of in silico HLA imputation methods. These approaches enable rapid and accurate estimation of HLA alleles in the millions of individuals that are already genotyped on microarrays. HLA imputation has been used to define causal variation in autoimmune diseases, such as type I diabetes, and infectious diseases, such as HIV infection control. However, there are few guidelines on performing HLA imputation, association testing, and fine-mapping. Here, we present comprehensive statistical genetics guide to impute HLA alleles from genotype data. We provide detailed protocols, including standard quality control measures for input genotyping data and describe options to impute HLA alleles and amino acids including a web-based Michigan Imputation Server. We updated the HLA imputation reference panel representing global populations (African, East Asian, European and Latino) available at the Michigan Imputation Server ( n = 20,349) and achived high imputation accuracy (mean dosage correlation r = 0.981). We finally offer best practice recommendations to conduct association tests in order to define the alleles, amino acids, and haplotypes affecting human traits. This protocol will be broadly applicable to the large-scale genotyping data and contribute to defining the role of HLA in human diseases across global populations.

ABSTRACT The human leukocyte antigen (HLA) class II proteins present peptides to CD4 + T cells through an interaction with T cell receptors (TCRs). Thus, HLA proteins are key players in shaping immunogenicity and immunodominance. Nevertheless, factors governing peptide presentation by HLA-II proteins are still poorly understood. To address this problem, we profiled the blood transcriptome and immunopeptidome of 20 healthy individuals and integrated the profiles with publicly available immunopeptidomics datasets. In depth multi-omics analysis identified expression levels and subcellular locations as import sequence-independent features governing presentation. Levering this knowledge, we developed the Peptide Immune Annotator Multimodal ( PIA-M ) tool, as a novel pan multimodal transformer-based framework that utilises sequence-dependent along with sequence-independent features to model presentation by HLA-II proteins. PIA-M illustrated a consistently superior performance relative to existing tools across two independent test datasets (area under the curve: 0.93 vs. 0.84 and 0.95 vs. 0.86), respectively. Besides achieving a higher predictive accuracy, PIA-M with its Rust-based pre-processing engine, had significantly shorter runtimes. PIA-M is freely available with a permissive licence as a standalone pipeline and as a webserver ( https://hybridcomputing.ikmb.uni-kiel.de/pia ). In conclusion, PIA-M enables a new state-of-the-art accuracy in predicting peptide presentation by HLA-II proteins in vivo .

Abstract Genome-level sequencing enables us to ask fundamental questions about the genetic basis of adaptation, population structure, and epigenetic mechanisms, but usually requires a suitable reference genome for mapping population-level re-sequencing data. In some model systems, multiple reference genomes are available, giving researchers the challenging task of determining which reference genome best suits their data. Here we compare the use of two different reference genomes for the three-spined stickleback ( Gasterosteus aculeatus ), one novel genome derived from a European gynogenetic individual and the published reference genome of a North American individual. Specifically, we investigate the impact of using a local reference versus one generated from a distinct lineage on several common population genomics analyses. Through mapping genome resequencing data of 60 sticklebacks from across Europe and North America, we demonstrate that genetic distance among samples and the reference impacts downstream analyses. Using a local reference genome increased mapping efficiency and genotyping accuracy, effectively retaining more and better data. Despite comparable distributions of the metrics generated across the genome using SNP data (i.e., π, Tajima’s D , and F ST ), window-based statistics using different references resulted in different outlier genes and enriched gene functions. A marker-based analysis of DNA methylation distributions had a comparably high overlap in outlier genes and functions, yet with distinct differences depending on the reference genome. Overall, our results highlight how using a local reference genome decreases reference bias to increase confidence in downstream analyses of the data. Such results have significant implications in all reference-genome-based population genomic analyses.

ABSTRACT Mature gametocytes of Plasmodium ( P .) falciparum display a banana (falciform) shape conferred by a complex array of subpellicular microtubules (SPMT) associated to the inner membrane complex (IMC). Microtubule associated proteins (MAPs) define MT populations and modulate interaction to pellicular components. Several MAPs have been identified in Toxoplasma gondii and homologues can be found in the genome of Plasmodium species, but the function of these proteins for asexual and sexual development of malaria parasites is still unknown. Here we identified a novel subpellicular MAP, termed SPM3, that is conserved within the genus Plasmodium ., especially within the Laverania subgenus, but absent in other Apicomplexa. Conditional knockdown and targeted gene disruption of Pfspm3 in P. falciparum cause severe morphological defects during gametocytogenesis leading to round, non-falciform gametocytes with an aberrant SPMT pattern. In contrast, Pbspm3 knockout in P. berghei , a species with round gametocytes, caused no defect in gametocytogenesis, but sporozoites displayed an aberrant motility and a dramatic defect in sporozoite invasion of salivary glands leading to a decreased efficiency in transmission. Electron microscopy revealed a dissociation of the SPMT from the IMC in Pbspm3 knockout parasites suggesting a function of SPM3 in anchoring MTs to the IMC. Overall, our results highlight SPM3 as a pellicular component with essential functions for malaria parasite transmission. IMPORTANCE A key structural feature driving the transition between different life cycle stages of the malaria parasite is the unique three membrane “pellicle”, consisting of the parasite plasma membrane (PPM) and a double membrane structure underlying the PPM termed the “inner membrane complex” (IMC). Additionally, there are numerous linearly arranged intramembranous particles (IMPs) linked to the IMC, which likely link the IMC to the subpellicular microtubule cytoskeleton. Here we identify, localize and characterize a novel subpellicular microtubule associated protein unique to the genus Plasmodium ( P .). The knockout of this protein in the human infecting P. falciparum species result in malformed gametocytes and aberrant microtubules. We confirmed the microtubule association in the P. berghei rodent malaria homologue and show that its knockout results in a perturbated microtubule architecture, aberrant sporozoite motility and decreased transmission efficiency.