徐书华团队合作构建蜱虫的结构变异图谱并解析病媒-病原体共进化的遗传基础

　　

2023年3月14日，国际学术期刊iScience在线发表了复旦大学徐书华教授与陆艳副研究员团队的合作研究成果“Mapping structural variations in Haemaphysalis longicornis and Rhipicephalus microplus reveals vector–pathogen adaptation”。基于全基因组数据分析，本研究首次构建了两个代表性的蜱虫物种——长角血蜱和微小牛蜱的全基因组水平的结构变异图谱，并结合转录组数据分析，从遗传结构、自然选择和共进化角度揭示了病媒-病原体适应性的遗传基础，不仅为深入理解“病原-媒介-宿主”的共进化提供新的视角和见解，也为后续蜱媒防控提供了新的遗传候选靶标。

图1. 长角血蜱和微小牛蜱在免疫特征上的适应性进化

蜱虫（Acari: Ixodida）以吸血为生，是仅次于蚊子的第二大传病媒介。蜱虫携带并传播病原体导致严重的人兽共患病（俗称蜱传病），从而危害人类和牲畜健康，并造成相应的经济损失。在中国，目前已知的蜱虫种类有124种。据最新的统计，长角血蜱（Haemaphysalis longicornis）是分布最广的蜱虫物种，其次是中华硬蜱和微小牛蜱（Rhipicephalus microplus）。近期研究显示，蜱虫物种因不同的宿主周期、各异的生态地理分布，导致其群体结构呈现分层。目前，对不同生境下的蜱虫的群体遗传结构及背后可能的遗传基础的解析缺乏研究，基于全基因组水平的结构变异的研究呈现空白，基于此，本研究选择两个具有代表性的蜱虫--长角血蜱（三宿主生活周期）和微小牛蜱（单宿主生活周期）作为研究对象，基于全基因组测序数据构建了结构变异（SVs）图谱。

本研究发现与长角血蜱不具有清晰的生态/地理分布模式不同的是，微小牛蜱内部存在明显的地理分布模式，即中国南部（SC），中国中部（CC）和中国西南部（SWC）三个群体，三宿主和单宿主的生活周期可能是影响这一模式的重要因素，这也与此前基于mtDNA和SNPs数据得到的结果相一致。除此之外，微小牛蜱样本携带的SV数目与纬度表现出显著的正相关性，提示纬度可能影响微小牛蜱的遗传多态性和当地适应性。

图2. 长角血蜱和微小牛蜱的群体结构和SV数目

为了进一步探究物种内不同群体间的遗传差异并揭示病原-媒介-宿主共进化的规律，本研究特别关注到与免疫应答相关的结构变异在群体间表现出显著的分化差异。在长角血蜱中，一个长达4.1kb的拷贝数增加（DUP）影响了CyPJ基因的最后一个外显子编码区。该变异在国内样本中频率高达86.82%，而在与海外样本相似的群体中频率仅有37.5%。CyPJ基因的C末端会竞争性阻止K63-Ub链与TAB2和TAB3的NZF功能域结合，从而阻止其激发NF-kB信号通路，影响固有免疫稳态。转录组数据结果证实长角血蜱在被病原体感染后CyPJ基因表达量显著下调，提示该基因在长角血蜱适应/耐受病原感染中发挥重要作用。

图3. 功能性DUP有助于长角血蜱的免疫适应性进化

此外，该研究在微小牛蜱中鉴定到一个长达5.2kb的缺失变异（DEL）影响组织蛋白酶D家族的基因LOC119177016的外显子编码区。该DEL在中国中部和西南部的蜱虫样本中频率高达92.74%和100%，而在中国南部地区的蜱虫样本中频率仅有12.5%。组织蛋白酶D不仅在血红蛋白消化过程中发挥重要作用，而且在被病原体感染的微小牛蜱的肠道组织（抵抗病原入侵的重要器官）内的表达量显著降低，可能参与微小牛蜱的免疫应答反应。利用转录组数据，本研究证实LOC119177016基因在微小牛蜱的肠道组织（最高）、脂肪体和合神经节中特异性表达，并在吸血不饱和肠道组织中表达量显著降低，提示LOC119177016基因在微小牛蜱吸血习性，耐受病原感染的适应性进化中发挥重要作用。有趣的是，我们还发现这一变异的频率与微小牛蜱的宿主牛品系（抗性与非抗性品种）的分布规律一致，体现了潜在的“病原-媒介-宿主”的共进化关系。

图4. 功能性DEL有助于微小牛蜱的吸血习性、免疫应答等表型的适应性进化

总体而言，本研究不仅首次构建了长角血蜱和微小牛蜱的全基因组结构变异图谱，解析了物种内部的精细遗传结构，并鉴定出一些与免疫应答相关且在群体间存在高度分化的结构变异。研究结果为蜱虫防控和蜱传病预防提供了一些潜在的靶点，也为进一步研究提供了群体遗传学和进化生物学的线索和科学依据。

复旦大学人类表型组研究院博士后刘琪、生命科学学院硕士研究生杨科为本文共同第一作者。中国科学院上海营养与健康研究所博士研究生谢波、复旦大学人类表型组研究院博士后高扬作为关键成员参与了该工作。复旦大学陆艳副研究员和徐书华教授为本文共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、国家基金委基础科学中心、英国皇家学会牛顿基金、、上海市国际人类表型组计划市级科技重大专项等基金的资助。

论文链接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(23)00475-3