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蜱类基因组测序研究

2019-10-18 20螺旋体蜱虫

由普渡大学(Purdue University)领导的一个国际科学家团队对传播莱姆病的蜱进行了基因组测序,莱姆病是北美最常见的病媒传播疾病,其致病菌为伯氏螺旋体

这个长达10年的项目,有来自46个机构的93位作者参与,他们用精密的唾液、带刺的口器和数百万年成功的寄生来解码一种吸血蛛形纲动物的生物学特性。被称为鹿蜱或黑脚蜱的硬蜱的基因组也揭示了蜱如何获取和传播病原体,并为控制蜱提供了特定的目标。

“蜱类基因组测序研究的一个全新时代奠定了基础,”论文的第一作者、普渡大学医学昆虫学教授、肖沃尔特学院学者Catherine Hill说。“现在我们已经破解了蜱虫的密码,我们可以开始设计控制蜱虫的策略,了解它们如何传播疾病,并干预这个过程。”

肩胛蜱是第一个完成基因组测序的蜱类。《自然通讯》(Nature Communications)周二(2月9日)发表了主基因组论文。

蜱传疾病的基因组资源

蜱传播的疾病每年导致成千上万的人和动物死亡,蜱传播的病原体和寄生虫比任何其他节肢动物都要广泛。它们主要通过在寄主的皮肤上制造一个进食的伤口来传播疾病,当它们吸血时,受感染的唾液会回流到伤口中。

尽管蜱虫有能力获取和传播一系列病原体,但蜱虫的研究却落后于其他节肢动物载体,如蚊子,这主要是由于缺乏遗传和分子工具和资源。

“蜱被低估为带菌者——直到你患上莱姆病,”Hill说。

美国每年报告约3万例莱姆病病例,大多数集中在东北部和中西部的北部。但美国疾病控制与预防中心(Centers for Disease Control,简称cdc)估计,实际病例数量为每年32.9万例,其中许多未被报告或误诊。

莱姆病虽然不是致命的,但如果在感染发展到慢性阶段之前没有得到治疗,它可能会使人永久衰弱。

鹿蜱还传播人粒细胞无形体病、巴贝斯虫病和可能致命的波瓦桑病毒。其他蜱类传播多种黄病毒,包括一些会引起大脑出血和炎症的病毒,以及覆盖大脑和脊髓的膜。Hill说,对蜱虫传播的黄病毒的了解还不如莱姆病,但它们在欧洲和亚洲部分地区是特别重要的疾病,对人类健康构成全球威胁。

蜱类基因组测序研究及其基因组资源是非常需要的,”她说。“这些让我们能够以一种系统的方式来看待蜱虫生物学。”

Hill说,基因组提供了两种有价值的生物资源:使壁虱成为成功寄生虫的基因和蛋白质,以及寄生虫和病原体的优良载体。

识别与蜱传疾病传播有关的蛋白质可以帮助研究人员制定策略来阻止这一过程。

研究人员找到了一些在鹿蜱和引起莱姆病的细菌之间的相互作用中起关键作用的蛋白质,以及与人粒细胞无形体病传播相关的蛋白质,这是一种新出现的疾病。

发表在《公共科学图书馆:被忽视的热带病》杂志上的一篇论文确认了与脑炎病毒感染和复制相关的蛋白质和生化途径。这些蛋白质可能成为药物和疫苗的候选,并为病毒如何影响蜱虫提供线索。

“这项研究打开了一扇通往了解蜱传播的病毒利用他们的主机和从蜱虫提供了独特的见解,能适用于人类,”普渡大学生物科学系教授Richard Kuhn说。“一旦你知道哪些宿主蛋白对病毒复制至关重要,你就可以操纵这些蛋白来干扰病毒的生长和发育。”

蜱虫生物学内幕

蜱类基因组测序研究,基因组还提供了对蜱类生物学独特方面的见解。

例如,蜱虫的唾液中含有大量的杀菌剂、止痛药、粘合剂、抗凝血剂和免疫抑制剂,这些都是为了帮助蜱虫在几天或几周内不被发现地以宿主为食而设计的。

Hill说,基因组显示,蜱虫唾液中含有数千种化合物,而蚊子唾液中只有数百种化合物,这种多样性可能使蜱虫能够利用多种宿主,并附着很长时间。

研究人员还发现了一些基因,这些基因可能与蜱在进食时合成新甲状角质层的能力有关,从而使它们能够扩张100多倍。

研究小组寻找蜱虫如何消化血液的线索,血液是一种有毒的食物来源,因为它含有高浓度的铁。基因组指出,许多蛋白质与含铁的血红素分子(血液消化的副产品)相连接,从而降低它们的毒性。

“蜱类有大量的解毒酶,我们不知道为什么,”Hill说。“我们已经注意到这一点,因为这些酶也参与解毒杀虫剂。随着我们开发出控制蜱虫的新化学物质,我们将面临大量解毒酶的挑战,远远超过昆虫。”

基因组计划的主要发现之一是,大约20%的基因似乎是蜱特有的。这些基因可以为研究人员提供针对蜱虫的控制靶点。

Hill说:“我们没有在蚊子或人类身上发现与之相当的基因。”“这是一个令人着迷的分子集合,作为一名科学家,我迫不及待地想进入这个金罐,找出这些是什么,它们是干什么的。”

基因组的独特特征

研究团队面临的主要挑战之一是蜱虫基因组的复杂性,这是迄今为止测序的较大的节肢动物基因组之一。大约70%的基因组是重复的DNA,这是一个不寻常的方面,在《BMC基因组学》上发表的一篇论文中进一步探讨了这一问题。

虽然重复基因的副本经常被消除,但是蜱的基因组保留了这些重复基因。它们中的许多已经发生了突变,这表明一个基因的两个拷贝与不同的功能有关,这给了扁虱进化上的优势。Hill说,这些重复的基因也可能成为新的蜱虫控制措施的目标。

她说:“我们估计,这些基因复制可能发生在最后一个冰河时代之后,那时蜱类种群正在向新的栖息地扩张。”

该项目还包括对北美蜱虫种群结构的首次全基因组分析,从而解决了长期以来关于北方和南方的鹿蜱是否真的是两个不同物种的争论。Hill说,尽管这两个种群的基因不同,但基因组提供了令人信服的证据,证明它们是同一物种。由于大多数莱姆病病例发生在北方,蜱类传播莱姆病的能力可能与遗传因素有关,对这两个种群的比较可以说明这一点。

Hill说:“现在我们有了这个脚本,可以帮助我们弄清楚蜱虫的基因在制造什么蛋白质,这些蛋白质有什么作用,以及我们是否可以利用它们来控制蜱虫。”

引用

Purdue University. "Tick genome reveals inner workings of a resilient blood-guzzler." ScienceDaily. ScienceDaily, 9 February 2016.
www.sciencedaily.com/releases/2016/02/160209090352.htm.

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