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Cell期刊发表“吸血鬼”蜱虫基因组最新研究成果,揭示其专性吸血遗传机制

  

研究背景

蜱虫是专营吸血性节肢动物,能够通过叮咬将细菌、原生动物、真菌、线虫、病毒等病原体传播给人类、牲畜及野生生物,引起莱姆病、立克次氏病等疾病的发生,且具有持久性和复发性感染等特点,会导致有机体死亡或出现多种慢性后遗症,威害人类健康。近年来,随着气候和环境变化,蜱虫的数量激增,其栖息地快速扩张,人们被蜱虫叮咬的事件多有报道,但目前还缺少有效措施控制蜱媒病的传播。高质量的参考基因组是探究蜱虫的生物学特性、宿主-病原体互作机制、传播和控制策略等生物学问题的基础,蜱虫种类繁多,但目前仅有肩突硬蜱(I. scapularis)基因组发布,严重制约了蜱虫及蜱媒病防控工作的开展。

实验材料选择
中国六大优势蜱种:全沟硬蜱(Ixodes persulcatus)、长角血蜱(Haemaphysalis longicornis)、森林革蜱(Dermacentor silvarum)、亚洲璃眼蜱(Hyalomma asiaticum)、血红扇头蜱(Rhipicephalus sanguineus)和微小扇头蜱(Rhipicephalus microplus

基因组组装策略

PacBio(67–95X) + Hi-C辅助组装

主要研究结果
基因组组装及质量评估

该研究以六种蜱虫为研究材料,首先利用二代数据对蜱虫的基因组大小进行了预估,随后,基于PacBio三代测序获得的67–95X Subreads进行基因组组装。在此基础上,借助Hi-C辅助组装技术将8,620-15,174 条Contigs锚定到了11条染色体上,最终获得了1.5-2.3 Gb大小的染色体水平的蜱虫基因组,部分基因组的Scaffold N50达到了208.7 Mb,Contig N50 1.8 Mb(表1,图1)。BUSCO评估大于90%,illumina短reads的覆盖度也都在96%以上,表明组装基因组具有较好的完整性和准确度,可用于后续研究。

表1 蜱虫基因组的组装和注释信息统计

蜱虫基因组特征及进化分析

蜱虫基因组中约52.6%-64.4%为重复序列,且多为长散在重复序列(Line)和长末端重复序列(LTR)。六种蜱虫基因组含有的蛋白编码基因数量不同(表1),且基因的平均长度、”外显子数量、内含子平均长度等遗传结构存在显著差异。进一步的系统进化分析显示,硬蜱属蜱虫与其他蜱种在200 Mya年前发生了分歧,使得I. persulcatus与其他蜱种之间具有较大的遗传差异。H. longicornis、R. microplus、R. sanguineus、H. asiaticum 和D. silvarum在137.8 Mya前由共同祖先分化而来。

图1 蜱虫基因组特征及进化分析

蜱虫吸血的遗传基础及表型

蜱虫基因组中蛋白酶活性、转移酶活性、转录调控、转运蛋白活性和免疫相关蛋白家族的扩张(图2A),会影响蜱虫对血红蛋白的消化、血红素运输、解毒、氧化胁迫响应等生物学过程,使得蜱虫具有较强的吸血能力。

蜱虫在寄主上的附着时间受个体的解毒能力、宿主寻找、血液消化能力、营养代谢、免疫反应等多种因素影响(图2B)。作为血液依赖性生物,蜱虫基因组中参与调控血红素生物合成和降解的基因虽发生了丢失,但其基因组中参与铁代谢的TMPRSS6发生了扩张,使得蜱虫能够从宿主中获取和运输亚铁血红素和铁,来维持自身的关键生理过程。与此同时,游离的亚铁血红素和铁会导致活性氧(ROS)的产生,蜱虫基因组中的抗氧化酶、自由基清除剂、血红素介导的ROS相关的激活因子编码基因具有较高的保守性,使得蜱虫能够维护自身的氧化还原平衡,免受氧化胁迫毒害。此外,蜱虫还进化出了多种胞内和体液免疫能力,使得其能够吸附于宿主表面并保持平衡。

图2 蜱虫吸血的遗传基础和相关表型

群体结构和遗传多样性

我国蜱虫种类多样,但由于基因组信息缺乏,对蜱虫遗传多样性及分布规律的研究工作一直难以开展。该研究基于组装获得的高质量蜱虫基因组,对来源于不同地域和生境的678个野生蜱虫进行重测序,发现不同类别的蜱虫虽具有相似的扩散策略,但其群体进化具有明显的生态地域性和物种特异性。例如,来自新疆和内蒙古的H. asiaticum,虽在形态上极为相似,却具有不同的遗传特性;H. longicornis虽然分布较广,但其遗传多样性相对较低、基因组相对保守;单宿主蜱种R. microplus明显具有三个不同的地域性进化分支,暗示了单一的宿主特性可能促成了不同地域R. microplus的进化。

图3 蜱虫遗传多样性和群体结构分析

影响蜱媒病原体分布的关键因素

蜱虫基因组的多样性决定了蜱虫与病原体之间的相互作用会非常复杂,需要进一步探究蜱媒病原体的生态分布和进化。该研究利用宏基因组学对宿主基因流对病原体分布的影响进行了评估,发现病原体的分布与构成也具有蜱种特异性和生态地域性:I. persulcatus携带的病原体种类最多,R. sanguineus中较少,D. silvarum中立克次体的丰度和占比很高;即使是生活在不同生态地域的同一蜱种,携带的立克次体种类也有所不同。值得注意的是,高丰度(如立克次体)和低丰度(如螺旋体)的病原体,都可以经蜱传播,引发蜱媒传染病(如立克次体病与莱姆病),因此,需要建立更灵敏的检测方法监测低丰度的病原体,用于蜱媒病的防控。

图4 蜱媒病原体分析

文章亮点

(1)该研究利用二代、三代和Hi-C辅助组装相结合的测序策略,组装获得了六个高精度的染色体水平的蜱虫基因组。
(2)基于组装的参考基因组,系统阐示了不同蜱种的演化史及分化时间,并通过比较基因组和转录组学分析,从血红素利用、铁代谢、活性氧(ROS)平衡、细胞与体液免疫等方面揭示了蜱专性吸血的遗传机制。
(3)蜱种特异性和生态地域性都会影响蜱媒病原体的分布,高丰度和低丰度的病原体都能够引发蜱媒传染病,需要建立更灵敏的检测方法监测低丰度的病原体,防控蜱媒病的传播。 


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