莱姆病的传播媒介生物-肩突硬蜱(Ixodes scapularis)基因组测序

摘要：蜱虫能够传播给人类及动物多种病原微生物。研究人员描述了肩突硬蜱(Ixodes scapularis, Say)的基因组特征，该种蜱虫能够引起莱姆病、粒细胞无形体病、巴贝西虫病和其它疾病。肩突硬蜱具有较大的基因组特征，重复DNA序列，逆转录转座子新谱系，其基因结构模式类似于古代后生动物而不是甲壳类动物。其~57%的基因组scaffolds序列得到了注释，得到20,486个蛋白编码基因及与宿主相互反应的扩张的基因家族。研究人员通过对基因组分析，对蜱虫一些独特的寄生过程进行了研究，包括：寻找宿主、长时间的进食、角质合成、吸血、血红蛋白消化、血红素解毒、卵黄形成和脱离宿主后长期生存的特征。研究人员确定了和人类粒细胞无形体病和导致急性脑炎的Langat病毒相关的蛋白，和一种群结构生活史特征和莱姆病传播相关。

Introduction:

蜱虫(螯肢动物亚门：蜱亚目)是一种常见的人类及动物的寄生虫，其传播多种病原微生物，每年导致数千人及动物死亡。蜱虫以硬蜱属为主，是北美、欧洲和亚洲地区莱姆病的主要媒介。在美国，2012年报告了22014例确诊病例，在欧洲，每年记录的莱姆病~65,500例患者。肩突硬蜱还携带引起人类巴贝斯虫病、人类粒细胞无形体病、蜱传回归热的传染性病原体。作为重要的媒介生物，其基因组研究对防控其传播的病原体具有重要的价值。

Results:

The first genome assembly for a tick vector of disease.

组装的基因组为, IscaW1,包含 570,640 contigs， 369,495 scaffolds，(N50为51,551bp)，大小约为1.8 Gbp，基因组大小估计为2.1G,总基因数目为20,486个。

肩突硬蜱有26条常染色体及2条性染色体(XX:XY),采用荧光原位杂交(FISH)技术建立核型和物理图谱如fig2，显示了基于FISH标记的串联重复序列与相对于端粒位置的排列顺序。

通过Fig2-a,f, FISH标记不同类型的末端重复序列，发现ISE18细胞染色体上40%的基因组序列为串联重复家族，这些串联重复序列分布在着丝粒及其附近区域。一些复杂度较低的串联重复序列家族，ISR1-ISR3占了约8%，丰度最高的ISR2分布在染色体近端(Fig2)。约30%的基因组DNA为中度重复序列，包含众多拷贝数的Class I 和Class II 转座元件。比如，41个代表性(包含全部长度或者一致性序列)转座子为长末端(LTR)逆转座子家族；37个Ty3/gypsy成员被确定等。

非末端重复序列转座子组成了大约6.5%的基因组序列，序列保守性和转座子拷贝数提示着肩突硬蜱中CR1, I 和L2转座子较为活跃，这些转座子在鸟类、哺乳动物及蜥蜴中也具有较高丰度，这些水平转移转座子值得更进一步研究。看起来完整的mariner 和 piggyBac转座子在肩突硬蜱基因组中确定，234个微型反向重复转座元件(MITEs)得到了注释。这些MITEs拷贝数从50~14500，占到了基因组序列的5%。

约60%的蜱虫基因和其它节肢动物直系同源基因(Orthologs)，剩下的约50%的基因约为同源基因(Homologs)和1/5为蜱虫特有基因。

构建单拷贝同源基因构建系统进化树

单拷贝同源基因构建系统进化树，由甲壳类和六足纲(昆虫)动物组成的甲壳纲作为外群，显示了螯肢动物亚门位于节肢动物范围内。分子钟显示，肩突硬蜱平均进化速率要比双翅目(冈比亚按蚊Anopheles gambiae和黑腹果蝇Drosophila melanogaster) 慢一些，比其它节肢动物快一些。

Fig3-b 显示了共享的及独有的内含子位置。

Fig3-c 显示了肩突硬蜱内含子长度和脊椎动物人类和小鼠更相似，要比分析的甲壳动物唱出了一个数量级；及肩突硬蜱和蚤状溞和其它几种物种的古老内含子(ancient introns)长度分布。

肩突硬蜱和蚤状溞比起来，和节肢动物共享的内含子位置超过了10 倍。

Ticks as parasites

Fig1-b 蜱虫的口器(螯虫和带刺的绒毛体)附着在宿主的真皮层上，并形成食性损伤。蜱虫的唾液由多肽和其他化合物组成的复杂混合物，有助于吸附在宿主表明并防止宿主的止血、炎症和免疫过程，从而延长吸血时间。唾液中的抗菌素可能会防止细菌在摄入的血液和/或摄食中过度生长。编码唾液腺产物的基因和其它基因比较起来进化更快。值得注意的是，肩突硬蜱基因组中带有蛋白结构域Kunitz domain基因数目在已知物种中最为丰富。而人的才0.05%、牛0.1%的蛋白序列含有这个结构域。蜱虫其他值得注意的发生扩张的基因包括脂磷脂相关的基因(40个基因)和金属蛋白酶基因(34个基因)，脂磷脂与其他系统的抗炎活性有关，金属蛋白酶参与纤维蛋白降解和抑制血管生成。

蜱虫进化出一种新的机制来降解血红素，宿主红细胞在中肠发生溶血，但血红蛋白的消化发生在中肠上皮细胞的囊泡内，随后通过胞饮方式内吞(Fig.1d)。血红素和多种重要功能相关，与其它蛋白质形成复合物，参与氧的运输和感应，酶催化和电子转移，蜱虫缺乏重头合成血红素功能取而代之的是从饮食中获取，在肩突硬蜱虫中确定了一些血红素酶的直系同源基因，hemF, hemG 和 hemH和产生血红素蛋白功能相关，提示蜱虫在适应血液饮食后变的多余的、残留的些血红素合成途径的功能基因。蜱虫体内两种存储蛋白家族能够确保蜱虫能够获得血红素并且在高血红素饮食过程中抵抗血红素毒性作用，haemlipoglyco-carrier proteins (CPs) 和卵黄蛋白vitellogenins (Vgs卵黄生成素),Fig1.d。CPs在除卵以外的时期均为主要功能蛋白，而Vgs主要在雌蜱卵黄生成过程中脂肪体和中肠产生(Fig.4),并通过血淋巴运输到发育中的卵母细胞，在那里以卵磷脂的形式储存。卵黄蛋白是卵子中的主要蛋白质，也是胚胎发育中血红蛋白的可能来源。10个可能的CP基因和两个Vg基因在肩突硬蜱基因组中被确定。

(1)蜱虫交配过程，雄性通过口器与雌蜱生殖孔连接，转移精原细胞及促性腺激素;

(2)内分泌级联反应和卵黄供应过程。促性腺激素启动神经节释放EDTH，刺激快速充血，启动神经肽的合成，调节蜕皮和新表皮的合成，并释放allatostatins(咽侧体抑制素) 和 allatotropins(促咽侧体素);

(3)EDTH促使表皮产生蜕皮甾体;

(4)高滴度表皮蜕化类固醇激活卵巢中VgR的转录因子，储存在发育中的卵子中，并以20-E的形式激活脂肪体和中肠中特定细胞中Vg的转录因子；

(5)Vg被发育的卵母细胞通过Vg受体介导的内吞作用摄取，并以卵黄蛋白的形式进入蛋黄；

(6)雌蜱从生殖孔中产生约3000枚成熟的卵子，这些卵子被传递到口器，用Gene器官释放蜡质覆盖卵表面。

肩突硬蜱基因组中包含至少39个非脊椎动物神经肽直系同源基因。确定了一些直系同源基因和昆虫的蜕皮相关(Fig4).此外，还推测一些可能的神经肽基因。这些神经肽类基因调节昆虫蜕皮的机制和蜱虫吸血过程中体积变化达到100倍以上时角质层的改变及适应有关Fig4。

在昆虫中，蜕皮激素的合成最终需要羟基化过程，需要细胞色素P450s(CYP450s)，由Halloween基因合成。除了phantom基因，所有的类固醇基因CYP450s都在其基因组中被发现，及一些疑似基因发生重复，提示蜱类和昆虫之间的蜕皮激素调节过程的保守性。在蜱虫基因组中发现了昆虫甲戊酸途径中的9种酶的基因中的有7种，能够产生保幼激素前体，farnesyl-PP，有5种酶参与了farnesyl-PP转换为保幼激素III。蜱虫基因组显示了甲基转移酶家族(44个基因)基因扩张，EST数据显示至少其中26个发生了转录。

研究人员确定了206个CYP450(补充表23)和75个羧酸酯酶/ cholinesterase-like基因(补充表24)， CYPs为昆虫接毒基因，体虱有36种，一种植物螨T. urticae有81种，肩突硬蜱最多，可能和更多的抗毒特性有关。

作为一种宿主体外寄生生物，肩突硬蜱发展了一种独特的识别宿主机制(Fig.1a)。蜱的感觉系统包括负责化学、机械、热、湿感受的刚毛状感受器、非刚毛感受器和背侧光敏细胞。化学物可能是通过位于脚踝部位独特的Haller器官感应，当蜱虫“寻找”宿主时，这种器官就会出现。昆虫的嗅觉和味觉是由膜受体家族和细胞外配体结合蛋白介导的。在蜱基因组中发现的化学受体基因属于味觉受体和离子性谷氨酸受体(iGluR)相关的离子性受体家族。62种味觉感受器被鉴定为三大类，(Supplementary Fig. 20, Supplementary Table 29 and Supplementary Note 1)。然后对三大类基因特征进行了研究。在蜱中未发现昆虫气味受体、气味结合蛋白(OBP)和化学感觉蛋白B家族的成员，仅发现化学感觉蛋白(CSP)家族的一个成员，可能和基因的出现随着物种分化时间有关。

与大多数昆虫相比，蜱虫拥有少量的光感受受体。鉴定了三种视蛋白的基因GPCRs(Fig. 1a, Supplementary Table 26)，与其他吸血节肢动物相比，它的视觉系统较弱，在识别宿主过程中，嗅觉、机械和热感受能力可能会抵消蜱虫有限的视觉灵敏度和及光波长的检测。

Ticks as vectors of pathogens and parasites

蜱虫携带的病毒、细菌和原生动物通常通过吸血获得，并在进食过程中通过唾液传播，Fig.5.

Figure 5 | Key features of pathogen transmission by Ixodes scapularis.

在蜱虫基因组中鉴定出来，蜱虫的免疫系统通过Toll, IMD(Immunodeficiency)，JAK-STAT (Janus激酶/信号转导和转录激活子(Signal Transducers and Activators of Transcription)通路和RNA干扰-抗病毒信号通路来抵御病原体的入侵， (Supplementary Figs 22和23和Supplementary Table 17)。Supplementary Table 17显示了蜱虫基因组中的其它一些免疫相关基因。

多种感染因子促进莱姆病病原体伯氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的传播(图5)，包括蜱唾液腺蛋白Salp15、Salp20、Salp25D、蜱唾液腺凝集素途径抑制剂和蜱组胺释放因子，以及蜱OspA受体和蜱蛋白tre31和蜱的伯氏疏螺旋体脂蛋白BBE31。还有一些蛋白和Anaplasma phagocytophilum(嗜吞噬细胞无形体)传播相关。这些已知的蛋白基因在蜱虫基因组中鉴定出来(Supplementary Table 17)。

研究人员通过ISE6细胞系，使用定量蛋白质组学进一步确定蜱虫与无形体间的相互作用机制，发现了735个独特的多肽被分配给424个不同的蛋白中。总共发现了83个差异蛋白(50 下调，33个上调)。

在蜱虫细胞中，RNA干扰途径为抵抗病毒感染提供了一种重要的防御手段，与昆虫相比，Ago基因显著扩展。

Population structure of Ixodes scapularis in North America

Figure 6 | Population structure of Ixodes scapularis across North America.

(a) Tick sampling sites in Indiana (IN), Massachusetts (MA), Maine (ME), North Carolina (NC), New Hampshire (NH), Wisconsin (WI), Florida (FL) and Virginia (VA) overlaid against reported Lyme disease cases in 2012

(b) Membership probabilities in bar plots for individual I. scapularis comprising different clusters and showing separation of genetic groups based on 34,693 RADtag SNP markers. SNP, single-nucleotide polymorphism; WK, I. scapularis WIKEL reference strain.

Genome-based interventions to control tick-borne disease.

Figure 7 | De-orphanizing Ixodes scapularis receptors as candidate targets for the development of new acaricides. The newly identified I. scapularis dicysteine-loop, ligand-gated anion channel subunit (IscaGluCl1, KR107244) contains the ‘PAR’ motif centred on the 0’ position in the second transmembrane region (TM2), characteristic of ligand-gated anion channels and is aligned with a brown dog tick Rhipicephalus sanguineus GluCl (RsGluCl1, ACX33155) and human glycine receptor a-subunit (P23415)。

总结：

这篇文章15年发表在NC上，还是首次对蜱虫的基因组进行了测序，还是老美非常关注的肩突硬蜱，文章结构逻辑看起来有点乱，放现在看结果太单薄了，图都是一些模拟图，但研究人员通过对基因组分析，对蜱虫一些独特的寄生过程进行了研究还是值得我去学习的，包括：寻找宿主过程中气味、光、机械感受过程基因、角质合成、吸血、血红蛋白消化、血红素解毒、卵黄形成和脱离宿主后长期生存这些特征可能依赖的基因。

莱姆病的传播媒介生物-肩突硬蜱(Ixodes scapularis)基因组测序相关推荐

MS：中山大学丁涛/吴忠道-肠道菌群调控血吸虫病传播媒介光滑双脐螺适生性的新机制...
宏基因组组装的基因组揭示了血吸虫病传播媒介光滑双脐螺的碳水化合物和氮代谢机制 Metagenome-Assembled Genomes Reveal Mechanisms of Carbohydrat ...
Cell二连发 | 广东CDC/耶鲁大学利用纳米孔测序揭示中/美新冠病毒基因组流行病学传播规律...
利用纳米孔测序技术实时测定病毒全基因组信息(Nanopore Real-time Sequencing),能够动态地分析病毒分子进化来研究病毒的变异及传播特征,这些信息对疫情发展不同阶段制定有效的防控 ...
Nature综述：临床宏基因组学的应用与挑战
导读临床宏基因组学(mNGS)是对患者样本中微生物和宿主遗传物质(DNA和RNA)进行综合分析的一种新兴的诊断技术,这种新兴的方法正在改变医生诊断和治疗疾病的方式,其应用范围广泛,其应用范围包括抗菌 ...
新冠最凶变种出现！突变量德尔塔两倍，专家称感染率超原毒株500%，引发全球股市震荡...
点击上方"视学算法",选择加"星标"或"置顶" 重磅干货,第一时间送达杨净明敏发自凹非寺量子位报道 | 公众号 QbitAI 迄 ...
MIT | 一种可解释的PPI预测模型
今天给大家介绍的是由MIT在"Biorxiv"上发表的预印本"Sequence-based prediction of protein-protein interacti ...
JIPB：白洋组综述根系微生物组群落构建及其对植物适应性的贡献
根系微生物组:群落构建及其对植物适应性的贡献 The root microbiome: Community assembly and its contributions to plant fitnes ...
iMeta：德布鲁因图在微生物组研究中的应用(全文翻译,PPT,视频)
德布鲁因图在微生物组研究中的应用 Applications of de Bruijn graphs in microbiome research DOI: https://doi.org/10.100 ...
Microbiome：污水处理厂的微型真核肠道寄生虫：多样性、活性和去除
点击蓝字关注我们编译:张国庆.张治国校稿:鞠峰论文ID 原名:Microeukaryotic gut parasites in wastewater treatment plants: ...
Microbiome：香港理工李向东组-医院源可吸入耐药基因与宿主群落、临床关联和环境风险...
医院源可吸入抗生素抗性组:细菌宿主.临床相关性和环境风险的宏基因组学解析 Inhalable antibiotic resistomes emitted from hospitals: metagen ...

莱姆病的传播媒介生物-肩突硬蜱(Ixodes scapularis)基因组测序

莱姆病的传播媒介生物-肩突硬蜱(Ixodes scapularis)基因组测序相关推荐

最新文章

热门文章