全球入侵埃及伊蚊种群的适应性基因组特征：探索自驯化奥秘与防控新靶点

《Nature Ecology & Evolution》：Adaptive genomic signatures of globally invasive populations of the yellow fever mosquito Aedes aegypti

为解决区分埃及伊蚊（Aedes aegypti）野生型（Aedes aegypti formosus，Aaf）和家栖型（Aedes aegypti aegypti，Aaa）生态型的难题，研究人员开展其种群基因组研究。结果发现 186 个 Aaa 分子特征基因，为控制埃及伊蚊种群提供新靶点，对理解其进化和传播机制意义重大。

　　在动物与人类的漫长互动历史中，一些动物逐渐适应了人类环境，其中埃及伊蚊的变化尤为引人关注。埃及伊蚊作为全球主要的虫媒病毒传播载体，原产于非洲大陆，如今广泛分布于热带和亚热带地区。它分为两种生态型，家栖型（Aaa）和野生型（Aaf）。Aaa 具有更强的传播病毒能力，且在行为上更倾向于与人类共生，例如在人造容器中产卵、偏好吸食人血；而 Aaf 则相对更为 “野性”，是较为 “泛食性” 的蚊子 。
然而，区分这两种生态型并非易事。传统上，人们尝试通过形态特征来区分它们，比如体色，但这一方法并不可靠，因为体色并非简单的二元特征 。同时，目前也缺乏标准化的实验流程来测试它们的产卵行为，特别是在自然环境中。此外，埃及伊蚊复杂的全球种群结构使得情况更加复杂，在一些地区两种生态型或它们的杂交种同时存在，这让准确鉴别变得困难重重。例如在阿根廷，一些具有 Aaa 典型咬人特征的蚊子，却有着 Aaf 的体色和在树洞繁殖的习性。这些不确定性严重阻碍了对埃及伊蚊进化和传播机制的深入理解，也给相关疾病的防控带来挑战。
为了攻克这些难题，来自意大利帕维亚大学等机构的研究人员开展了一项深入研究。研究人员对来自四大洲 14 个国家的 686 只埃及伊蚊进行了全基因组测序（Whole-Genome Sequencing，WGS）分析，其中包括 105 只新测序的蚊子以及 581 份已公开的测序数据。
研究人员采用了多种先进的技术方法。在样本处理方面，对蚊子样本进行基因组 DNA 提取，并送往专业机构进行文库构建和测序，确保测序深度达到研究要求 。通过生物信息学分析，使用特定软件对原始测序数据进行质量控制、比对到参考基因组，并进行变异检测和筛选，获得高质量的单核苷酸多态性（Single-Nucleotide Polymorphisms，SNPs）数据 。在分析方法上，运用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、混合分析（ADMIXTURE analysis）等多种群体遗传学分析方法，研究种群结构和遗传关系；同时采用 RAiSD、PCAdapt 和 McDonald–Kreitman（MKT）等测试方法，预测适应性变异，寻找基因组选择信号 。
研究结果如下：

1. 遗传多样性差异：非洲种群的遗传多样性明显高于非非洲种群。研究人员检测到 314,365,358 个高置信度 SNPs，非洲种群平均每个群体的 SNP 数量占总组装基因组大小的 3.99%，而非非洲种群仅为 2.02% 。通过多种遗传多样性指标，如平均核苷酸多样性（π）、单例数量、SNP 密度等分析，都证实了这一差异。非洲种群有更多基因组区间具有负的 Tajima’s D 值，表明其存在更多新突变、种群扩张等情况；而非非洲种群和部分非洲人血喂养蚊子种群（如塞内加尔的 Ngoye、Thies 和肯尼亚的 Rabai）则具有更多正的 Tajima’s D 值，暗示它们经历了种群瓶颈或近交 。
2. 种群结构分析：利用 150 万个双等位基因 SNPs 进行 PCA 和混合分析，结果显示，非非洲种群聚为一组，非洲种群分为西部、中部、西部 - 中部和东部四个亚群 。通过系统发育树和遗传距离分析，进一步明确了各群体之间的遗传关系。研究还发现，部分非洲人血喂养蚊子种群（如 THI、NGY）与非非洲种群在进化上关系密切，但又存在明显的遗传分化，且这种关系并非由近期的混合事件导致 。此外，RABd 蚊子种群与沙特阿拉伯的蚊子种群关系紧密，存在从非非洲地区重新引入非洲的证据 。
3. 基因组选择信号：研究人员使用三种互补的全基因组方法预测适应性变异。基于硬选择扫荡（hard selective sweeps）的 RAiSD 分析，在非非洲种群中发现了 8,120 个硬选择扫荡区域，涉及 660 个蛋白质编码基因和 143 个非编码 RNA（ncRNAs），这些基因与化学感应、神经元活动、G 蛋白偶联受体（GPCRs）功能、离子运输和免疫等相关 。通过 PCAdapt 分析，识别出 10,030 个 SNP 异常值，其中 6,470 个与非非洲种群显著相关，涉及 1,364 个蛋白质编码基因和 40 个 ncRNAs，这些基因也富集在神经元、化学感应和解毒等功能上 。MKT - DoS 测试则发现 356 个蛋白质编码基因在非非洲种群中具有正选择特征，涉及化学感应、神经元活动、糖代谢、免疫等多种功能 。
4. Aaa 分子特征和基因标记：综合三种方法的结果，研究人员确定了 185 个蛋白质编码基因和 1 个 lncRNA 作为 Aaa 分子特征。这些基因在化学感应、神经元、代谢和调节功能上显著富集，包括编码关键化学感应受体、神经递质调节酶、核孔蛋白等的基因 。其中，68 个 Aaa 分子特征基因含有 483 个非同义变异，这些变异在非非洲和非洲种群之间的频率差异显著，可作为分子标记（Aaa markers）用于区分两种生态型 。研究人员通过对哥伦比亚和佛罗里达的蚊子样本分析，验证了部分 Aaa 标记的有效性 。
   在结论和讨论部分，研究表明埃及伊蚊的自驯化过程与基因频率的重大转变以及许多位点的局部适应有关，特别是 Aaa 分子特征基因的变化。这些基因中，编码化学感应受体的基因在 Aaa 生态型的出现中起到关键作用，其功能可能不仅限于嗅觉，还影响蚊子的吸血和宿主寻找行为 。此外，研究还发现许多与神经元、激素和代谢功能相关的基因，这与其他家养动物的基因组特征相似，表明在自驯化和人类驱动的驯化过程中，可能存在共同的基因调控机制 。研究还强调了基因组、生理和功能冗余在埃及伊蚊适应环境中的重要性，这种冗余增加了蚊子对挥发性物质感知的灵活性，有助于其在不同环境中生存 。同时，研究结果也支持了祖先多态性的保留和对现有遗传变异的选择是埃及伊蚊进化的重要遗传来源这一观点，这在其他生物中也有类似现象，但在埃及伊蚊中是首次在全基因组尺度上得到证实 。
   这项研究成果发表在《Nature Ecology & Evolution》上，为埃及伊蚊的研究和防控开辟了新的方向。它不仅帮助人们更深入地理解埃及伊蚊的进化和适应机制，还为开发新的控制策略提供了潜在的基因靶点，有望为全球虫媒病毒病的防控提供有力支持。