（溫帶臭蟲(chóng)基因組測(cè)序揭示全球人類(lèi)皮外寄生蟲(chóng)的特點(diǎn)）

　　摘要：溫帶臭蟲(chóng)Cimexlectularius，在從前的二十年里，是世界范疇內(nèi)普遍存在的一種人體皮外寄生蟲(chóng)。臭蟲(chóng)防治雌蟲(chóng)飽血后產(chǎn)卵，每次產(chǎn)卵數(shù)個(gè)，一生可產(chǎn)卵75～200個(gè)，最多達(dá)540個(gè)。卵白色，長(zhǎng)圓形，大小為0.8～1.3×0.4～0.6mm，一端有略偏的小蓋，卵殼上有網(wǎng)狀紋，常粘附在成蟲(chóng)活動(dòng)和穩(wěn)匿處，如床板、蚊帳、家具、墻壁、地板和天花板的縫隙里，在18～25℃條件下經(jīng)1周即可孵出若蟲(chóng)。除了對(duì)殺蟲(chóng)劑抗性的加強(qiáng)，這種寰球化范疇的害蟲(chóng)增加可能與國(guó)際交換跟貿(mào)易有關(guān)。溫帶臭蟲(chóng)基因組及其14,220個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因全面展示了其與創(chuàng)傷性受精、減少化學(xué)感應(yīng)相干的專(zhuān)性吸血基因、宿主-共生體的彼此作用以及多少個(gè)對(duì)殺蟲(chóng)劑抗性的機(jī)制相干的基因?；蚪M測(cè)序跟解釋為將來(lái)對(duì)溫帶臭蟲(chóng)殺蟲(chóng)劑抗性、人類(lèi)-臭蟲(chóng)跟共生體-臭蟲(chóng)的彼此作用關(guān)聯(lián)、臭蟲(chóng)作為人類(lèi)皮外寄生蟲(chóng)奇特的生物學(xué)特點(diǎn)供給了堅(jiān)實(shí)的基本。

　　研究背景

　　溫帶臭蟲(chóng)Cimexlectularius，證明與人類(lèi)有3000年甚至更多年的接洽。二戰(zhàn)后，因?yàn)闅⑾x(chóng)劑的自由利用，這個(gè)物種在一些經(jīng)濟(jì)跟政治牢固的國(guó)際多少乎滅絕，然而在一些不發(fā)達(dá)國(guó)度、弱勢(shì)地區(qū)還有大量的與老鼠、雞跟其它動(dòng)物相干的群體存在。然而，在從前的20年左右，溫帶臭蟲(chóng)在除南極洲外的每個(gè)大陸大量的暴發(fā)。溫帶臭蟲(chóng)的疾速擴(kuò)大與國(guó)際旅行、二手資料的轉(zhuǎn)換、對(duì)有溫帶臭蟲(chóng)組織的無(wú)知、臭蟲(chóng)對(duì)有機(jī)氯、有機(jī)磷酸酯類(lèi)跟擬除菊酯等重要?dú)⑾x(chóng)劑的抗性進(jìn)化。

　　作為人類(lèi)皮外寄生蟲(chóng)，溫帶臭蟲(chóng)的勝利擴(kuò)大是由其以下多少個(gè)方面的生物特點(diǎn)造成的。首先，溫帶臭蟲(chóng)的所有生命階段都專(zhuān)性地食血，并以血液作為單一的養(yǎng)分跟水分來(lái)源。這種養(yǎng)分的專(zhuān)一化須要專(zhuān)性的化學(xué)感應(yīng)體系來(lái)探測(cè)、發(fā)明跟接收適合的宿主。并且，兩個(gè)不同的溫帶臭蟲(chóng)家系研究表明，與人類(lèi)有關(guān)跟與老鼠有關(guān)的兩個(gè)家系有不同的化學(xué)感應(yīng)特化。另外，吸血作用須要特別的酶跟相干的代謝通路來(lái)恰當(dāng)?shù)叵邮昭?，并處理多余的水分；這種專(zhuān)化作用也驅(qū)動(dòng)與內(nèi)共生體的轉(zhuǎn)化關(guān)聯(lián)，例如沃爾巴克氏體(一種革蘭氏陰性細(xì)菌）可能產(chǎn)生脊椎動(dòng)物血液中缺乏的要害微量元素。

　　溫帶臭蟲(chóng)通過(guò)創(chuàng)傷性受精來(lái)滋生，雄性用改進(jìn)的生殖器官刺進(jìn)雌性腹部的角質(zhì)層，將精液帶入雌性的淋巴體系。這種滋生方法受到性別抵觸的強(qiáng)烈抉擇，包含性傳播細(xì)菌，及抉擇免疫體系來(lái)影響臭蟲(chóng)-病原菌的互作。臭蟲(chóng)表示出對(duì)近親滋生作用的抗性，這可能與有利基因復(fù)合物的固定，增進(jìn)局部適應(yīng)的有毒等位基因，如對(duì)殺蟲(chóng)劑抗性基因的清除有關(guān)。有意思的是，遠(yuǎn)親滋生不表示出劣勢(shì)，而是雜種上風(fēng)最小化且短暫。溫帶臭蟲(chóng)被認(rèn)為是美國(guó)錐蟲(chóng)的潛在載體，不像其它的吸血節(jié)肢動(dòng)物，可能直接判斷人類(lèi)病原物的傳播。最后，存在殺蟲(chóng)劑抗性的種群大量擴(kuò)增，存在擬除菊酯抗性的溫帶臭蟲(chóng)數(shù)量是不抗性的10,000倍。

　　通過(guò)進(jìn)化基因組剖析跟大量的人工解釋?zhuān)疚膱?bào)道了溫帶臭蟲(chóng)極其相干的細(xì)菌基因組。本研究揭示了溫帶臭蟲(chóng)與其生活方法相干的進(jìn)化適應(yīng)，包含化學(xué)感應(yīng)基因的明顯減少，血液代謝相干基因的擴(kuò)大跟各種其它物種與殺蟲(chóng)劑抗性相干的基因集。另外，研究人員鑒定了從沃爾巴克氏體跟沙雄菌等細(xì)菌中橫向遷徙的基因。

　　研究資料

　　對(duì)各種殺蟲(chóng)劑敏感的溫帶臭蟲(chóng)，進(jìn)行基因組測(cè)序，并作為轉(zhuǎn)錄組測(cè)序中的對(duì)比處理。在27℃,50±5%RH跟光周期

　　12:12前提下保存培養(yǎng)，喂食37℃水域保溫的兔子血。取第23代自交系的個(gè)體基因組DNA。

　　研究策略

　　IlluminaHiSeq2000s測(cè)序平臺(tái)，PE100。滅臭蟲(chóng)沸水澆燙：臭蟲(chóng)不耐高溫，可用開(kāi)水將蟲(chóng)卵和成蟲(chóng)全部燙死、，對(duì)有臭蟲(chóng)孳生的床架、床板等用具可搬至室外，用裝有沸水的水壺口對(duì)準(zhǔn)縫隙，緩慢移動(dòng)澆燙，務(wù)必使縫隙處達(dá)到高溫，以燙死臭蟲(chóng)及其卵，對(duì)孳生有臭蟲(chóng)的衣服、蚊帳，可用開(kāi)水浸泡。小片段文庫(kù)180bp，500bp，大片段文庫(kù)3kb，8kb，測(cè)序深度分辨為62.4X,77.9X,44.42X,21.21X。

　　研究結(jié)果

　　1基因組的總體特點(diǎn)跟直系同源剖析

　　基因組終極組裝成650.47Mb，1,402個(gè)scaffolds跟45,073個(gè)contigs，N50長(zhǎng)度分辨為7.17Mband23.5kb。比預(yù)估的基因組大小小25%，這可能是因?yàn)楫惾旧|(zhì)跟重復(fù)序列不組裝的結(jié)果。料想了14,220個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，總共有1,352個(gè)是感興趣的基因，包含273個(gè)角質(zhì)層蛋白基因跟114個(gè)化學(xué)感觸體基因進(jìn)行了人工校訂。評(píng)估了組裝跟基因料想的完全性，鑒定了昆蟲(chóng)基因組中守舊的Hox基因簇跟自噬基因?？偟膩?lái)說(shuō)，與七種節(jié)肢動(dòng)物昆蟲(chóng)基因組比較，溫帶臭蟲(chóng)基因集跟基因組有少量的的喪失，大概10%，然而仍然存在很高的完全性，來(lái)進(jìn)前進(jìn)一步的剖析。溫帶臭蟲(chóng)中，超過(guò)80%的基因至少與一種節(jié)肢動(dòng)物存在直系同源基因。用8個(gè)節(jié)肢動(dòng)物的1,734個(gè)單拷貝的直系同源基因來(lái)構(gòu)建體系進(jìn)化樹(shù)。

　　圖1溫帶臭蟲(chóng)跟其它節(jié)肢動(dòng)物的體系進(jìn)化關(guān)聯(lián)及直系同源比較

　　注：體系進(jìn)化剖析表明溫帶臭蟲(chóng)是另一種半翅目昆蟲(chóng)-豌豆蚜的姊妹系。

　　2宿主定位、專(zhuān)性血液為食跟免疫

　　溫帶臭蟲(chóng)專(zhuān)一性的以血液為食，并且跟蚊子等其它吸血性昆蟲(chóng)不同，它所有的未成熟期跟成熟期的昆蟲(chóng)均專(zhuān)性地血液為食品跟水的來(lái)源。溫帶臭蟲(chóng)偏向于以人類(lèi)作為寄主，也以多種脊椎動(dòng)物為寄主。溫帶臭蟲(chóng)在環(huán)境中與人的彼此作用，可能料想宿主位置。它頭部?jī)蓚?cè)的膠囊有明顯凸起的復(fù)眼，在宿主識(shí)別中起到一定的作用。與其視力的低辨別率相一致，溫帶臭蟲(chóng)存在與半翅目昆蟲(chóng)所共有的單眼紫外跟長(zhǎng)波長(zhǎng)感觸視蛋白家族，這也與傍晚活動(dòng)的昆蟲(chóng)相一致。溫帶臭蟲(chóng)中編碼生物鐘的基因在果蠅跟哺乳動(dòng)物中同樣呈現(xiàn)，然而缺乏與生物鐘的感光相干CRY1跟JET序列。因此，臭蟲(chóng)或者可能成為研究生理節(jié)律的模式昆蟲(chóng)，尤其是那些在弱光或黑暗環(huán)境中棲身的動(dòng)物。

　　昆蟲(chóng)感觸器中嗅覺(jué)跟味覺(jué)的處理是依附化學(xué)感觸體的三個(gè)基因家族：嗅覺(jué)受體、味覺(jué)受體跟離子受體。嗅覺(jué)受體在黑暗環(huán)境中通過(guò)嗅覺(jué)來(lái)尋找錯(cuò)誤、宿主定位跟導(dǎo)航中起到要害的作用。味覺(jué)受體的重要作用是調(diào)處味覺(jué)—更重要的是發(fā)明甜或苦的增味劑—以及感觸二氧化碳。親離子受體由古動(dòng)物的離子移變的谷氨酸鹽受體進(jìn)化而來(lái)，與嗅覺(jué)跟味覺(jué)有關(guān)。作者鑒定了48個(gè)嗅覺(jué)受體、24個(gè)GR

　　S、30個(gè)親離子受體基因。滅臭蟲(chóng)沸水澆燙：臭蟲(chóng)不耐高溫，可用開(kāi)水將蟲(chóng)卵和成蟲(chóng)全部燙死、，對(duì)有臭蟲(chóng)孳生的床架、床板等用具可搬至室外，用裝有沸水的水壺口對(duì)準(zhǔn)縫隙，緩慢移動(dòng)澆燙，務(wù)必使縫隙處達(dá)到高溫，以燙死臭蟲(chóng)及其卵，對(duì)孳生有臭蟲(chóng)的衣服、蚊帳，可用開(kāi)水浸泡。溫帶臭蟲(chóng)化學(xué)感觸體基因集居中，與其適中的化學(xué)生態(tài)的龐雜性相一致，它像采采蠅一樣是專(zhuān)性的吸血昆蟲(chóng)，然而存在普遍的脊椎動(dòng)物寄主，而虱則以人類(lèi)作為唯一的寄主。臭蟲(chóng)基因組中不糖受體，而在采采蠅、虱子等吸血性昆蟲(chóng)當(dāng)中也不發(fā)明。臭蟲(chóng)基因組中化學(xué)感觸體基因家族有一些擴(kuò)大跟進(jìn)化，同時(shí)存在11個(gè)物種特異性的增味劑結(jié)合蛋白，14個(gè)化學(xué)感觸體蛋白比其它吸血性昆蟲(chóng)存在較強(qiáng)的守舊性。

　　獲得血液的一個(gè)重要妨礙是宿主止血，宿主通過(guò)血小板聚集、纖維蛋白交聯(lián)、血管緊縮跟免疫應(yīng)答來(lái)避免血液的消散。臭蟲(chóng)唾液轉(zhuǎn)錄組跟蛋白質(zhì)組的樹(shù)破，有助于咱們對(duì)其唾液的龐雜性、吸血昆蟲(chóng)奇特的適應(yīng)性進(jìn)行研究。臭蟲(chóng)三磷酸腺苷雙磷酸酶有多個(gè)成員，參加依附ADP的血小板聚集克制蛋白。另外，鑒定了12個(gè)一氧化氮受體多磷酸肌醇磷酸酶基因家族成員，6個(gè)昆蟲(chóng)基因組中最大的水解酶家族Ap4a家族成員。唾液蛋白的擴(kuò)增使臭蟲(chóng)可能從同一宿主屢次取食血液，而不會(huì)使宿主苦楚。

　　脊椎動(dòng)物的血液富含蛋白質(zhì)跟脂類(lèi)，然而缺乏微量養(yǎng)分。因?yàn)槠漭^高的水分含量，須要特定的一套消化酶來(lái)消化。對(duì)臭蟲(chóng)基因組的剖析，發(fā)明了187個(gè)潛在的消化酶基因。與大多數(shù)昆蟲(chóng)比較，臭蟲(chóng)存在較少的絲氨酸蛋白酶，然而其蛋白酶與吸血的長(zhǎng)紅獵蝽、虱類(lèi)似。臭蟲(chóng)的組蛋白酶D大量擴(kuò)大，它是一種調(diào)節(jié)酸性pH的天門(mén)冬氨酸蛋白酶，被認(rèn)為與血液的代謝有關(guān)。

　　血液的消化須要將其中多余的水分移除，水通道蛋白在這一進(jìn)程起重要作用。臭蟲(chóng)有7或8個(gè)AQP基因，在大多數(shù)昆蟲(chóng)中6-8個(gè)為畸形范疇。在肽類(lèi)激素跟胺受體中，作者鑒定了一個(gè)完全的利尿跟抗利尿激素及其受體正確地啟動(dòng)跟終止利尿。與長(zhǎng)紅獵蝽不同，臭蟲(chóng)質(zhì)有一個(gè)基因編碼抗利尿神經(jīng)肽激素。

　　像吸血蜱跟錐蝽，但不像其余吸血昆蟲(chóng)，臭蟲(chóng)可能禁受長(zhǎng)時(shí)光的饑餓。這種適應(yīng)須要養(yǎng)分的堅(jiān)持跟禁止多余水分消散、脫水導(dǎo)致的逝世亡，后者尤其依附于水通道蛋白跟熱激蛋白的差別表白?？偟膩?lái)說(shuō)，臭蟲(chóng)中熱激蛋白跟自噬基因與其它昆蟲(chóng)類(lèi)似，這名義你給它們的不同可能是與極其脫水跟抗饑餓有關(guān)。這些基因序列可能幫助人們揭示臭蟲(chóng)耐極其脫水跟饑餓的生理跟行念頭理。

　　臭蟲(chóng)的基因組中存在較多的Toll,Imd跟Jak/STAT免疫通路相干的基因。

　　圖2臭蟲(chóng)基因組宿主定位跟吸血方面相干的鑒定

　　a：多種昆蟲(chóng)的化學(xué)受體相干基因；b：多種昆蟲(chóng)的唾液功能相干基因；c：多種昆蟲(chóng)組蛋白酶D構(gòu)建的體系進(jìn)化樹(shù)。

　　3共生跟橫向基因遷徙

　　因?yàn)檠褐叙B(yǎng)分物質(zhì)的不足。專(zhuān)性吸血作用會(huì)導(dǎo)致特別微量元素的缺乏。沃爾巴克氏體是昆蟲(chóng)中常見(jiàn)的一種體內(nèi)寄生蟲(chóng)，可能影響寄主的成長(zhǎng)跟滋生，它與臭蟲(chóng)進(jìn)化出了共生的養(yǎng)分關(guān)聯(lián)。沃爾巴克氏體為臭蟲(chóng)供給滋生跟發(fā)育所需的各種維生素B。作者解釋了維生素B代謝跟決定相干的基因，與其它昆蟲(chóng)類(lèi)似，臭蟲(chóng)中含有維生素B攝取跟轉(zhuǎn)換必須的基因。

　　用盤(pán)算管道從組裝好的臭蟲(chóng)基因組中檢測(cè)細(xì)菌基因組，作為候選的細(xì)菌中橫向遷徙的基因。溫帶臭蟲(chóng)的內(nèi)共生體沃爾巴克氏體組裝成16個(gè)scaffolds。另外，與溫帶臭蟲(chóng)相干的葡萄球菌基因組多少乎組裝完全，包含15個(gè)scaffolds，其中有3個(gè)質(zhì)粒跟一個(gè)大概3.16Mb的染色體。葡萄球菌在臭蟲(chóng)中體內(nèi)常見(jiàn)，并且通過(guò)性接觸傳播。第三個(gè)sacfford與果膠桿菌存在同源序列組裝成，這種菌與動(dòng)物相干，sacfford只有250kb大小，而果膠桿菌基因組大概有5Mb，作者琢磨它是臭蟲(chóng)中大片段的橫向基因插入引起的，還須要進(jìn)一步的研究來(lái)確認(rèn)。

　　臭蟲(chóng)基因組中有大量的細(xì)菌LGT基因。除了以上探討的局部，有805個(gè)＞100bp候選LGTs散在散布在全部基因組上。臭蟲(chóng)基因組中候選LGTs在14種節(jié)肢動(dòng)物中數(shù)量最多。來(lái)自殘雄菌屬的LGTs數(shù)量最多，在已經(jīng)測(cè)定基因組的昆蟲(chóng)中十分常見(jiàn)。臭蟲(chóng)中的LGT是奇特的插入序列，而在其它的昆蟲(chóng)基因組中則不發(fā)明。

　　LGT基因插入后，個(gè)別通過(guò)插入及降解跟喪失來(lái)進(jìn)化。因此，LGTs與宿主DNA結(jié)構(gòu)類(lèi)似。然而，有些真菌LGTs可能進(jìn)化出存在功能的基因。臭蟲(chóng)中大多數(shù)的候選LGTs在成熟的個(gè)體中不表白，有一個(gè)例外，臭蟲(chóng)中的來(lái)源于沃爾巴克氏體LGT基因，編碼馬鈴薯樣蛋白的基因。細(xì)菌中馬鈴薯樣蛋白基因與其致病性相干。臭蟲(chóng)中的這個(gè)LGT在雄性成熟個(gè)體中表白，而在雌性成熟個(gè)體中不表白。這一基因的功能還須要進(jìn)一步判斷，然而可能琢磨它與臭蟲(chóng)特別的受精進(jìn)程有關(guān)。

　　圖3臭蟲(chóng)基因組組裝后＞100bp的候選橫向基因遷徙

　　a：鑒定的候選LGTs數(shù)量；b：候選LGTs的長(zhǎng)度。

　　4殺蟲(chóng)劑抗性相干基因

　　從前的二十年，臭蟲(chóng)對(duì)擬除菊酯抗性的加強(qiáng)導(dǎo)致其大面積暴發(fā)。為了剖析其起因，作者對(duì)有殺蟲(chóng)劑抗性的昆蟲(chóng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，剖析了與殺蟲(chóng)劑抗性相干的基因。電壓門(mén)控鈉離子通道基因的兩個(gè)漸變體可能使臭蟲(chóng)存在擬除菊酯抗性。細(xì)胞素色P450s在臭蟲(chóng)對(duì)殺蟲(chóng)劑的抗性中也起作用。ATP-結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)體與外源物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，在存在殺蟲(chóng)劑抗性的昆蟲(chóng)中量增加，臭蟲(chóng)中一共有54個(gè)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體。羧酸酯酶在殺蟲(chóng)劑的代謝中起到要害的作用，存在殺蟲(chóng)劑抗性的臭蟲(chóng)中，編碼這個(gè)酶的基因大量復(fù)制。角質(zhì)層在臭蟲(chóng)對(duì)殺蟲(chóng)劑的抗性中從很多個(gè)方面起作用，鑒定了273個(gè)角質(zhì)層基因，其中CPR基因家族呈現(xiàn)擴(kuò)增。

　　5創(chuàng)傷性受精

　　臭蟲(chóng)的雌性進(jìn)化出了一個(gè)新的器官，可能通過(guò)超彈性節(jié)肢蛋白來(lái)減少交配時(shí)產(chǎn)生的創(chuàng)傷。作者對(duì)基因組的剖析，發(fā)明臭蟲(chóng)節(jié)肢彈性蛋白基因家族擴(kuò)大，有13個(gè)基因存在多少丁質(zhì)結(jié)構(gòu)域，并富含＞20%的甘氨酸。這個(gè)基因家族的擴(kuò)大是臭蟲(chóng)特有的。

　　研究論斷

　　臭蟲(chóng)基因組的序列將幫助人們理解它作為人體皮外寄生蟲(chóng)的生物學(xué)特點(diǎn)，如圖4。

　　圖4臭蟲(chóng)基因組要害生物學(xué)進(jìn)程概要

　　注：紅色：臭蟲(chóng)的個(gè)別生物學(xué)特點(diǎn)；黑色，通過(guò)基因組序列剖析跟人工校訂獲得的要害生物學(xué)識(shí)題

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