温带臭虫基因组测序揭示全球人类皮外寄生虫的特点

　　摘要：温带臭虫Cimexlectularius，在从前的二十年里，是世界范畴内普遍存在的一种人体皮外寄生虫。臭虫防治雌虫饱血后产卵，每次产卵数个，一生可产卵75～200个，最多达540个。卵白色，长圆形，大小为0.8～1.3×0.4～0.6mm，一端有略偏的小盖，卵壳上有网状纹，常粘附在成虫活动和稳匿处，如床板、蚊帐、家具、墙壁、地板和天花板的缝隙里，在18～25℃条件下经1周即可孵出若虫。除了对杀虫剂抗性的加强，这种寰球化范畴的害虫增加可能与国际交换跟贸易有关。温带臭虫基因组及其14,220个编码蛋白质的基因全面展示了其与创伤性受精、减少化学感应相干的专性吸血基因、宿主-共生体的彼此作用以及多少个对杀虫剂抗性的机制相干的基因。基因组测序跟解释为将来对温带臭虫杀虫剂抗性、人类-臭虫跟共生体-臭虫的彼此作用关联、臭虫作为人类皮外寄生虫奇特的生物学特点供给了坚实的基本。

　　研究背景

　　温带臭虫Cimexlectularius，证明与人类有3000年甚至更多年的接洽。二战后，因为杀虫剂的自由利用，这个物种在一些经济跟政治牢固的国际多少乎灭绝，然而在一些不发达国度、弱势地区还有大量的与老鼠、鸡跟其它动物相干的群体存在。然而，在从前的20年左右，温带臭虫在除南极洲外的每个大陆大量的暴发。温带臭虫的疾速扩大与国际旅行、二手资料的转换、对有温带臭虫组织的无知、臭虫对有机氯、有机磷酸酯类跟拟除菊酯等重要杀虫剂的抗性进化。

　　作为人类皮外寄生虫，温带臭虫的胜利扩大是由其以下多少个方面的生物特点造成的。首先，温带臭虫的所有生命阶段都专性地食血，并以血液作为单一的养分跟水分来源。这种养分的专一化须要专性的化学感应体系来探测、发明跟接收适合的宿主。并且，两个不同的温带臭虫家系研究表明，与人类有关跟与老鼠有关的两个家系有不同的化学感应特化。另外，吸血作用须要特别的酶跟相干的代谢通路来恰当地消化跟接收血液，并处理多余的水分；这种专化作用也驱动与内共生体的转化关联，例如沃尔巴克氏体(一种革兰氏阴性细菌）可能产生脊椎动物血液中缺乏的要害微量元素。

　　温带臭虫通过创伤性受精来滋生，雄性用改进的生殖器官刺进雌性腹部的角质层，将精液带入雌性的淋巴体系。这种滋生方法受到性别抵触的强烈抉择，包含性传播细菌，及抉择免疫体系来影响臭虫-病原菌的互作。臭虫表示出对近亲滋生作用的抗性，这可能与有利基因复合物的固定，增进局部适应的有毒等位基因，如对杀虫剂抗性基因的清除有关。有意思的是，远亲滋生不表示出劣势，而是杂种上风最小化且短暂。温带臭虫被认为是美国锥虫的潜在载体，不像其它的吸血节肢动物，可能直接判断人类病原物的传播。最后，存在杀虫剂抗性的种群大量扩增，存在拟除菊酯抗性的温带臭虫数量是不抗性的10,000倍。

　　通过进化基因组剖析跟大量的人工解释，本文报道了温带臭虫极其相干的细菌基因组。本研究揭示了温带臭虫与其生活方法相干的进化适应，包含化学感应基因的明显减少，血液代谢相干基因的扩大跟各种其它物种与杀虫剂抗性相干的基因集。另外，研究人员鉴定了从沃尔巴克氏体跟沙雄菌等细菌中横向迁徙的基因。

　　研究资料

　　对各种杀虫剂敏感的温带臭虫，进行基因组测序，并作为转录组测序中的对比处理。在27℃,50±5%RH跟光周期

　　12:12前提下保存培养，喂食37℃水域保温的兔子血。取第23代自交系的个体基因组DNA。

　　研究策略

　　IlluminaHiSeq2000s测序平台，PE100。灭臭虫沸水浇烫：臭虫不耐高温，可用开水将虫卵和成虫全部烫死、，对有臭虫孳生的床架、床板等用具可搬至室外，用装有沸水的水壶口对准缝隙，缓慢移动浇烫，务必使缝隙处达到高温，以烫死臭虫及其卵，对孳生有臭虫的衣服、蚊帐，可用开水浸泡。小片段文库180bp，500bp，大片段文库3kb，8kb，测序深度分辨为62.4X,77.9X,44.42X,21.21X。

　　研究结果

　　1基因组的总体特点跟直系同源剖析

　　基因组终极组装成650.47Mb，1,402个scaffolds跟45,073个contigs，N50长度分辨为7.17Mband23.5kb。比预估的基因组大小小25%，这可能是因为异染色质跟重复序列不组装的结果。料想了14,220个蛋白质编码基因，总共有1,352个是感兴趣的基因，包含273个角质层蛋白基因跟114个化学感触体基因进行了人工校订。评估了组装跟基因料想的完全性，鉴定了昆虫基因组中守旧的Hox基因簇跟自噬基因。总的来说，与七种节肢动物昆虫基因组比较，温带臭虫基因集跟基因组有少量的的丧失，大概10%，然而仍然存在很高的完全性，来进前进一步的剖析。温带臭虫中，超过80%的基因至少与一种节肢动物存在直系同源基因。用8个节肢动物的1,734个单拷贝的直系同源基因来构建体系进化树。

　　图1温带臭虫跟其它节肢动物的体系进化关联及直系同源比较

　　注：体系进化剖析表明温带臭虫是另一种半翅目昆虫-豌豆蚜的姊妹系。

　　2宿主定位、专性血液为食跟免疫

　　温带臭虫专一性的以血液为食，并且跟蚊子等其它吸血性昆虫不同，它所有的未成熟期跟成熟期的昆虫均专性地血液为食品跟水的来源。温带臭虫偏向于以人类作为寄主，也以多种脊椎动物为寄主。温带臭虫在环境中与人的彼此作用，可能料想宿主位置。它头部两侧的胶囊有明显凸起的复眼，在宿主识别中起到一定的作用。与其视力的低辨别率相一致，温带臭虫存在与半翅目昆虫所共有的单眼紫外跟长波长感触视蛋白家族，这也与傍晚活动的昆虫相一致。温带臭虫中编码生物钟的基因在果蝇跟哺乳动物中同样呈现，然而缺乏与生物钟的感光相干CRY1跟JET序列。因此，臭虫或者可能成为研究生理节律的模式昆虫，尤其是那些在弱光或黑暗环境中栖身的动物。

　　昆虫感触器中嗅觉跟味觉的处理是依附化学感触体的三个基因家族：嗅觉受体、味觉受体跟离子受体。嗅觉受体在黑暗环境中通过嗅觉来寻找错误、宿主定位跟导航中起到要害的作用。味觉受体的重要作用是调处味觉—更重要的是发明甜或苦的增味剂—以及感触二氧化碳。亲离子受体由古动物的离子移变的谷氨酸盐受体进化而来，与嗅觉跟味觉有关。作者鉴定了48个嗅觉受体、24个GR

　　S、30个亲离子受体基因。灭臭虫沸水浇烫：臭虫不耐高温，可用开水将虫卵和成虫全部烫死、，对有臭虫孳生的床架、床板等用具可搬至室外，用装有沸水的水壶口对准缝隙，缓慢移动浇烫，务必使缝隙处达到高温，以烫死臭虫及其卵，对孳生有臭虫的衣服、蚊帐，可用开水浸泡。温带臭虫化学感触体基因集居中，与其适中的化学生态的庞杂性相一致，它像采采蝇一样是专性的吸血昆虫，然而存在普遍的脊椎动物寄主，而虱则以人类作为唯一的寄主。臭虫基因组中不糖受体，而在采采蝇、虱子等吸血性昆虫当中也不发明。臭虫基因组中化学感触体基因家族有一些扩大跟进化，同时存在11个物种特异性的增味剂结合蛋白，14个化学感触体蛋白比其它吸血性昆虫存在较强的守旧性。

　　获得血液的一个重要妨碍是宿主止血，宿主通过血小板聚集、纤维蛋白交联、血管紧缩跟免疫应答来避免血液的消散。臭虫唾液转录组跟蛋白质组的树破，有助于咱们对其唾液的庞杂性、吸血昆虫奇特的适应性进行研究。臭虫三磷酸腺苷双磷酸酶有多个成员，参加依附ADP的血小板聚集克制蛋白。另外，鉴定了12个一氧化氮受体多磷酸肌醇磷酸酶基因家族成员，6个昆虫基因组中最大的水解酶家族Ap4a家族成员。唾液蛋白的扩增使臭虫可能从同一宿主屡次取食血液，而不会使宿主苦楚。

　　脊椎动物的血液富含蛋白质跟脂类，然而缺乏微量养分。因为其较高的水分含量，须要特定的一套消化酶来消化。对臭虫基因组的剖析，发明了187个潜在的消化酶基因。与大多数昆虫比较，臭虫存在较少的丝氨酸蛋白酶，然而其蛋白酶与吸血的长红猎蝽、虱类似。臭虫的组蛋白酶D大量扩大，它是一种调节酸性pH的天门冬氨酸蛋白酶，被认为与血液的代谢有关。

　　血液的消化须要将其中多余的水分移除，水通道蛋白在这一进程起重要作用。臭虫有7或8个AQP基因，在大多数昆虫中6-8个为畸形范畴。在肽类激素跟胺受体中，作者鉴定了一个完全的利尿跟抗利尿激素及其受体正确地启动跟终止利尿。与长红猎蝽不同，臭虫质有一个基因编码抗利尿神经肽激素。

　　像吸血蜱跟锥蝽，但不像其余吸血昆虫，臭虫可能禁受长时光的饥饿。这种适应须要养分的坚持跟禁止多余水分消散、脱水导致的逝世亡，后者尤其依附于水通道蛋白跟热激蛋白的差别表白。总的来说，臭虫中热激蛋白跟自噬基因与其它昆虫类似，这名义你给它们的不同可能是与极其脱水跟抗饥饿有关。这些基因序列可能帮助人们揭示臭虫耐极其脱水跟饥饿的生理跟行念头理。

　　臭虫的基因组中存在较多的Toll,Imd跟Jak/STAT免疫通路相干的基因。

　　图2臭虫基因组宿主定位跟吸血方面相干的鉴定

　　a：多种昆虫的化学受体相干基因；b：多种昆虫的唾液功能相干基因；c：多种昆虫组蛋白酶D构建的体系进化树。

　　3共生跟横向基因迁徙

　　因为血液中养分物质的不足。专性吸血作用会导致特别微量元素的缺乏。沃尔巴克氏体是昆虫中常见的一种体内寄生虫，可能影响寄主的成长跟滋生，它与臭虫进化出了共生的养分关联。沃尔巴克氏体为臭虫供给滋生跟发育所需的各种维生素B。作者解释了维生素B代谢跟决定相干的基因，与其它昆虫类似，臭虫中含有维生素B摄取跟转换必须的基因。

　　用盘算管道从组装好的臭虫基因组中检测细菌基因组，作为候选的细菌中横向迁徙的基因。温带臭虫的内共生体沃尔巴克氏体组装成16个scaffolds。另外，与温带臭虫相干的葡萄球菌基因组多少乎组装完全，包含15个scaffolds，其中有3个质粒跟一个大概3.16Mb的染色体。葡萄球菌在臭虫中体内常见，并且通过性接触传播。第三个sacfford与果胶杆菌存在同源序列组装成，这种菌与动物相干，sacfford只有250kb大小，而果胶杆菌基因组大概有5Mb，作者琢磨它是臭虫中大片段的横向基因插入引起的，还须要进一步的研究来确认。

　　臭虫基因组中有大量的细菌LGT基因。除了以上探讨的局部，有805个＞100bp候选LGTs散在散布在全部基因组上。臭虫基因组中候选LGTs在14种节肢动物中数量最多。来自残雄菌属的LGTs数量最多，在已经测定基因组的昆虫中十分常见。臭虫中的LGT是奇特的插入序列，而在其它的昆虫基因组中则不发明。

　　LGT基因插入后，个别通过插入及降解跟丧失来进化。因此，LGTs与宿主DNA结构类似。然而，有些真菌LGTs可能进化出存在功能的基因。臭虫中大多数的候选LGTs在成熟的个体中不表白，有一个例外，臭虫中的来源于沃尔巴克氏体LGT基因，编码马铃薯样蛋白的基因。细菌中马铃薯样蛋白基因与其致病性相干。臭虫中的这个LGT在雄性成熟个体中表白，而在雌性成熟个体中不表白。这一基因的功能还须要进一步判断，然而可能琢磨它与臭虫特别的受精进程有关。

　　图3臭虫基因组组装后＞100bp的候选横向基因迁徙

　　a：鉴定的候选LGTs数量；b：候选LGTs的长度。

　　4杀虫剂抗性相干基因

　　从前的二十年，臭虫对拟除菊酯抗性的加强导致其大面积暴发。为了剖析其起因，作者对有杀虫剂抗性的昆虫进行了转录组测序，剖析了与杀虫剂抗性相干的基因。电压门控钠离子通道基因的两个渐变体可能使臭虫存在拟除菊酯抗性。细胞素色P450s在臭虫对杀虫剂的抗性中也起作用。ATP-结合盒转运体与外源物质的转运有关，在存在杀虫剂抗性的昆虫中量增加，臭虫中一共有54个ABC转运体。羧酸酯酶在杀虫剂的代谢中起到要害的作用，存在杀虫剂抗性的臭虫中，编码这个酶的基因大量复制。角质层在臭虫对杀虫剂的抗性中从很多个方面起作用，鉴定了273个角质层基因，其中CPR基因家族呈现扩增。

　　5创伤性受精

　　臭虫的雌性进化出了一个新的器官，可能通过超弹性节肢蛋白来减少交配时产生的创伤。作者对基因组的剖析，发明臭虫节肢弹性蛋白基因家族扩大，有13个基因存在多少丁质结构域，并富含＞20%的甘氨酸。这个基因家族的扩大是臭虫特有的。

　　研究论断

　　臭虫基因组的序列将帮助人们理解它作为人体皮外寄生虫的生物学特点，如图4。

　　图4臭虫基因组要害生物学进程概要

　　注：红色：臭虫的个别生物学特点；黑色，通过基因组序列剖析跟人工校订获得的要害生物学识题

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