摘要：蜱蟲能夠傳播給人類及動物多種病原微生物。研究人員描述了肩突硬蜱(Ixodes scapularis, Say)的基因組特征，該種蜱蟲能夠引起萊姆病、粒細(xì)胞無形體病、巴貝西蟲病和其它疾病。肩突硬蜱具有較大的基因組特征，重復(fù)DNA序列，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子新譜系，其基因結(jié)構(gòu)模式類似于古代后生動物而不是甲殼類動物。其~57%的基因組scaffolds序列得到了注釋，得到20,486個蛋白編碼基因及與宿主相互反應(yīng)的擴張的基因家族。研究人員通過對基因組分析，對蜱蟲一些獨特的寄生過程進行了研究，包括：尋找宿主、長時間的進食、角質(zhì)合成、吸血、血紅蛋白消化、血紅素解毒、卵黃形成和脫離宿主后長期生存的特征。研究人員確定了和人類粒細(xì)胞無形體病和導(dǎo)致急性腦炎的Langat病毒相關(guān)的蛋白，和一種群結(jié)構(gòu)生活史特征和萊姆病傳播相關(guān)。

Introduction:

????? 蜱蟲(螯肢動物亞門：蜱亞目)是一種常見的人類及動物的寄生蟲，其傳播多種病原微生物，每年導(dǎo)致數(shù)千人及動物死亡。蜱蟲以硬蜱屬為主，是北美、歐洲和亞洲地區(qū)萊姆病的主要媒介。在美國，2012年報告了22014例確診病例，在歐洲，每年記錄的萊姆病~65,500例患者。肩突硬蜱還攜帶引起人類巴貝斯蟲病、人類粒細(xì)胞無形體病、蜱傳回歸熱的傳染性病原體。作為重要的媒介生物，其基因組研究對防控其傳播的病原體具有重要的價值。

Results:

The first genome assembly for a tick vector of disease.

組裝的基因組為, IscaW1,包含 570,640 contigs， 369,495 scaffolds，(N50為51,551bp)，大小約為1.8 Gbp，基因組大小估計為2.1G,總基因數(shù)目為20,486個。

肩突硬蜱有26條常染色體及2條性染色體(XX:XY),采用熒光原位雜交(FISH)技術(shù)建立核型和物理圖譜如fig2，顯示了基于FISH標(biāo)記的串聯(lián)重復(fù)序列與相對于端粒位置的排列順序。

通過Fig2-a,f, FISH標(biāo)記不同類型的末端重復(fù)序列，發(fā)現(xiàn)ISE18細(xì)胞染色體上40%的基因組序列為串聯(lián)重復(fù)家族，這些串聯(lián)重復(fù)序列分布在著絲粒及其附近區(qū)域。一些復(fù)雜度較低的串聯(lián)重復(fù)序列家族，ISR1-ISR3占了約8%，豐度最高的ISR2分布在染色體近端(Fig2)。約30%的基因組DNA為中度重復(fù)序列，包含眾多拷貝數(shù)的Class I 和Class II 轉(zhuǎn)座元件。比如，41個代表性(包含全部長度或者一致性序列)轉(zhuǎn)座子為長末端(LTR)逆轉(zhuǎn)座子家族；37個Ty3/gypsy成員被確定等。

非末端重復(fù)序列轉(zhuǎn)座子組成了大約6.5%的基因組序列，序列保守性和轉(zhuǎn)座子拷貝數(shù)提示著肩突硬蜱中CR1, I 和L2轉(zhuǎn)座子較為活躍，這些轉(zhuǎn)座子在鳥類、哺乳動物及蜥蜴中也具有較高豐度，這些水平轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)座子值得更進一步研究?？雌饋硗暾?/span>mariner 和 piggyBac轉(zhuǎn)座子在肩突硬蜱基因組中確定，234個微型反向重復(fù)轉(zhuǎn)座元件(MITEs)得到了注釋。這些MITEs拷貝數(shù)從50~14500，占到了基因組序列的5%。

約60%的蜱蟲基因和其它節(jié)肢動物直系同源基因(Orthologs)，剩下的約50%的基因約為同源基因(Homologs)和1/5為蜱蟲特有基因。

構(gòu)建單拷貝同源基因構(gòu)建系統(tǒng)進化樹

單拷貝同源基因構(gòu)建系統(tǒng)進化樹，由甲殼類和六足綱(昆蟲)動物組成的甲殼綱作為外群，顯示了螯肢動物亞門位于節(jié)肢動物范圍內(nèi)。分子鐘顯示，肩突硬蜱平均進化速率要比雙翅目(岡比亞按蚊Anopheles gambiae和黑腹果蠅Drosophila melanogaster) 慢一些，比其它節(jié)肢動物快一些。

Fig3-b 顯示了共享的及獨有的內(nèi)含子位置。

Fig3-c 顯示了肩突硬蜱內(nèi)含子長度和脊椎動物人類和小鼠更相似，要比分析的甲殼動物唱出了一個數(shù)量級；及肩突硬蜱和蚤狀溞和其它幾種物種的古老內(nèi)含子(ancient introns)長度分布。

肩突硬蜱和蚤狀溞比起來，和節(jié)肢動物共享的內(nèi)含子位置超過了10 倍。

Ticks as parasites

Fig1-b 蜱蟲的口器(螯蟲和帶刺的絨毛體)附著在宿主的真皮層上，并形成食性損傷。蜱蟲的唾液由多肽和其他化合物組成的復(fù)雜混合物，有助于吸附在宿主表明并防止宿主的止血、炎癥和免疫過程，從而延長吸血時間。唾液中的抗菌素可能會防止細(xì)菌在攝入的血液和/或攝食中過度生長。編碼唾液腺產(chǎn)物的基因和其它基因比較起來進化更快。值得注意的是，肩突硬蜱基因組中帶有蛋白結(jié)構(gòu)域Kunitz domain基因數(shù)目在已知物種中最為豐富。而人的才0.05%、牛0.1%的蛋白序列含有這個結(jié)構(gòu)域。蜱蟲其他值得注意的發(fā)生擴張的基因包括脂磷脂相關(guān)的基因(40個基因)和金屬蛋白酶基因(34個基因)，脂磷脂與其他系統(tǒng)的抗炎活性有關(guān)，金屬蛋白酶參與纖維蛋白降解和抑制血管生成。

蜱蟲進化出一種新的機制來降解血紅素，宿主紅細(xì)胞在中腸發(fā)生溶血，但血紅蛋白的消化發(fā)生在中腸上皮細(xì)胞的囊泡內(nèi)，隨后通過胞飲方式內(nèi)吞(Fig.1d)。血紅素和多種重要功能相關(guān)，與其它蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，參與氧的運輸和感應(yīng)，酶催化和電子轉(zhuǎn)移，蜱蟲缺乏重頭合成血紅素功能取而代之的是從飲食中獲取，在肩突硬蜱蟲中確定了一些血紅素酶的直系同源基因，hemF, hemG 和 hemH和產(chǎn)生血紅素蛋白功能相關(guān)，提示蜱蟲在適應(yīng)血液飲食后變的多余的、殘留的些血紅素合成途徑的功能基因。蜱蟲體內(nèi)兩種存儲蛋白家族能夠確保蜱蟲能夠獲得血紅素并且在高血紅素飲食過程中抵抗血紅素毒性作用，haemlipoglyco-carrier proteins (CPs) 和卵黃蛋白vitellogenins (Vgs卵黃生成素),Fig1.d。CPs在除卵以外的時期均為主要功能蛋白，而Vgs主要在雌蜱卵黃生成過程中脂肪體和中腸產(chǎn)生(Fig.4),并通過血淋巴運輸?shù)桨l(fā)育中的卵母細(xì)胞，在那里以卵磷脂的形式儲存。卵黃蛋白是卵子中的主要蛋白質(zhì)，也是胚胎發(fā)育中血紅蛋白的可能來源。10個可能的CP基因和兩個Vg基因在肩突硬蜱基因組中被確定。

(1)蜱蟲交配過程，雄性通過口器與雌蜱生殖孔連接，轉(zhuǎn)移精原細(xì)胞及促性腺激素;

(2)內(nèi)分泌級聯(lián)反應(yīng)和卵黃供應(yīng)過程。促性腺激素啟動神經(jīng)節(jié)釋放EDTH，刺激快速充血，啟動神經(jīng)肽的合成，調(diào)節(jié)蛻皮和新表皮的合成，并釋放allatostatins(咽側(cè)體抑制素) 和 allatotropins(促咽側(cè)體素);

(3)EDTH促使表皮產(chǎn)生蛻皮甾體;

(4)高滴度表皮蛻化類固醇激活卵巢中VgR的轉(zhuǎn)錄因子，儲存在發(fā)育中的卵子中，并以20-E的形式激活脂肪體和中腸中特定細(xì)胞中Vg的轉(zhuǎn)錄因子；

(5)Vg被發(fā)育的卵母細(xì)胞通過Vg受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用攝取，并以卵黃蛋白的形式進入蛋黃；

(6)雌蜱從生殖孔中產(chǎn)生約3000枚成熟的卵子，這些卵子被傳遞到口器，用Gene器官釋放蠟質(zhì)覆蓋卵表面。

肩突硬蜱基因組中包含至少39個非脊椎動物神經(jīng)肽直系同源基因。確定了一些直系同源基因和昆蟲的蛻皮相關(guān)(Fig4).此外，還推測一些可能的神經(jīng)肽基因。這些神經(jīng)肽類基因調(diào)節(jié)昆蟲蛻皮的機制和蜱蟲吸血過程中體積變化達到100倍以上時角質(zhì)層的改變及適應(yīng)有關(guān)Fig4。

在昆蟲中，蛻皮激素的合成最終需要羥基化過程，需要細(xì)胞色素P450s(CYP450s)，由Halloween基因合成。除了phantom基因，所有的類固醇基因CYP450s都在其基因組中被發(fā)現(xiàn)，及一些疑似基因發(fā)生重復(fù)，提示蜱類和昆蟲之間的蛻皮激素調(diào)節(jié)過程的保守性。在蜱蟲基因組中發(fā)現(xiàn)了昆蟲甲戊酸途徑中的9種酶的基因中的有7種，能夠產(chǎn)生保幼激素前體，farnesyl-PP，有5種酶參與了farnesyl-PP轉(zhuǎn)換為保幼激素III。蜱蟲基因組顯示了甲基轉(zhuǎn)移酶家族(44個基因)基因擴張，EST數(shù)據(jù)顯示至少其中26個發(fā)生了轉(zhuǎn)錄。

研究人員確定了206個CYP450(補充表23)和75個羧酸酯酶/ cholinesterase-like基因(補充表24)， CYPs為昆蟲接毒基因，體虱有36種，一種植物螨T. urticae有81種，肩突硬蜱最多，可能和更多的抗毒特性有關(guān)。

作為一種宿主體外寄生生物，肩突硬蜱發(fā)展了一種獨特的識別宿主機制(Fig.1a)。蜱的感覺系統(tǒng)包括負(fù)責(zé)化學(xué)、機械、熱、濕感受的剛毛狀感受器、非剛毛感受器和背側(cè)光敏細(xì)胞?；瘜W(xué)物可能是通過位于腳踝部位獨特的Haller器官感應(yīng)，當(dāng)蜱蟲“尋找”宿主時，這種器官就會出現(xiàn)。昆蟲的嗅覺和味覺是由膜受體家族和細(xì)胞外配體結(jié)合蛋白介導(dǎo)的。在蜱基因組中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)受體基因?qū)儆谖队X受體和離子性谷氨酸受體(iGluR)相關(guān)的離子性受體家族。62種味覺感受器被鑒定為三大類，(Supplementary Fig. 20, Supplementary Table 29 and Supplementary Note 1)。然后對三大類基因特征進行了研究。在蜱中未發(fā)現(xiàn)昆蟲氣味受體、氣味結(jié)合蛋白(OBP)和化學(xué)感覺蛋白B家族的成員，僅發(fā)現(xiàn)化學(xué)感覺蛋白(CSP)家族的一個成員，可能和基因的出現(xiàn)隨著物種分化時間有關(guān)。

與大多數(shù)昆蟲相比，蜱蟲擁有少量的光感受受體。鑒定了三種視蛋白的基因GPCRs(Fig. 1a, Supplementary Table 26)，與其他吸血節(jié)肢動物相比，它的視覺系統(tǒng)較弱，在識別宿主過程中，嗅覺、機械和熱感受能力可能會抵消蜱蟲有限的視覺靈敏度和及光波長的檢測。

Ticks as vectors of pathogens and parasites

蜱蟲攜帶的病毒、細(xì)菌和原生動物通常通過吸血獲得，并在進食過程中通過唾液傳播，F(xiàn)ig.5.

在蜱蟲基因組中鑒定出來，蜱蟲的免疫系統(tǒng)通過Toll, IMD(Immunodeficiency)，JAK-STAT (Janus激酶/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活子(Signal Transducers and Activators of Transcription)通路和RNA干擾-抗病毒信號通路來抵御病原體的入侵， (Supplementary Figs 22和23和Supplementary Table 17)。Supplementary Table 17顯示了蜱蟲基因組中的其它一些免疫相關(guān)基因。

多種感染因子促進萊姆病病原體伯氏疏螺旋體(Borrelia burgdorferi)的傳播(圖5)，包括蜱唾液腺蛋白Salp15、Salp20、Salp25D、蜱唾液腺凝集素途徑抑制劑和蜱組胺釋放因子，以及蜱OspA受體和蜱蛋白tre31和蜱的伯氏疏螺旋體脂蛋白BBE31。還有一些蛋白和Anaplasma phagocytophilum(嗜吞噬細(xì)胞無形體)傳播相關(guān)。這些已知的蛋白基因在蜱蟲基因組中鑒定出來(Supplementary Table 17)。

研究人員通過ISE6細(xì)胞系，使用定量蛋白質(zhì)組學(xué)進一步確定蜱蟲與無形體間的相互作用機制，發(fā)現(xiàn)了735個獨特的多肽被分配給424個不同的蛋白中。總共發(fā)現(xiàn)了83個差異蛋白(50 下調(diào)，33個上調(diào))。

在蜱蟲細(xì)胞中，RNA干擾途徑為抵抗病毒感染提供了一種重要的防御手段，與昆蟲相比，Ago基因顯著擴展。

Population structure of Ixodes scapularis in 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)。

總結(jié)：

這篇文章15年發(fā)表在NC上，還是首次對蜱蟲的基因組進行了測序，還是老美非常關(guān)注的肩突硬蜱，文章結(jié)構(gòu)邏輯看起來有點亂，放現(xiàn)在看結(jié)果太單薄了，圖都是一些模擬圖，但研究人員通過對基因組分析，對蜱蟲一些獨特的寄生過程進行了研究還是值得我去學(xué)習(xí)的，包括：尋找宿主過程中氣味、光、機械感受過程基因、角質(zhì)合成、吸血、血紅蛋白消化、血紅素解毒、卵黃形成和脫離宿主后長期生存這些特征可能依賴的基因。

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