2020年8月18日，軍事科學院軍事醫學研究院微生物流行病研究所曹務春團隊、中國科學院北京生命科學研究院趙方慶團隊與安諾優達聯合，在Cell發表了題為“Large-scale comparative analyses of tick genomes elucidate their genetic diversity and vector capacities”的研究論文。該研究基於組裝獲得的高質量參考基因組，首次闡明瞭蜱蟲基因組與群體遺傳結構多樣性，解析了蜱蟲吸血的遺傳機制，揭示了蜱媒病原體的分佈特徵，為深入開展蜱蟲及蜱媒病的機制研究奠定了基礎。軍事科學院軍事醫學研究院微生物流行病研究所賈娜副研究員、石文強助理研究員、孫毅研究員和中國科學院北京生命科學研究院王金鋒副研究員、杜立鋒博士為文章第一作者，
安諾基因佔偉、楊偉飛、高玉池、劉濤為該文章合作作者。
研究背景
蜱蟲是專營吸血性節肢動物，能夠通過叮咬將細菌、原生動物、真菌、線蟲、病毒等病原體傳播給人類、牲畜及野生生物，引起萊姆病、立克次氏病等多種疾病的發生，且具有持久性和複發性感染等特點，會導致有機體死亡或出現慢性後遺症，威害人類健康。近年來，隨著氣候和環境變化，蜱蟲的數量激增，其棲息地快速擴張，人們被蜱蟲叮咬的事件多有報道，但目前還缺少有效措施控制蜱媒病的傳播。高質量的參考基因組是探究蜱蟲的生物學特性、宿主-病原體互作機制、傳播和控制策略等生物學問題的基礎，蜱蟲種類繁多，但目前僅有肩突硬蜱（I. scapularis）基因組發佈，嚴重製約了蜱蟲及蜱媒病防控工作的開展。
主要研究結果
基因組組裝及質量評估
該研究以六種蜱蟲為研究材料，首先利用二代數據對蜱蟲的基因組大小進行了預估，隨後，基於PacBio三代測序獲得的67–95X Subreads進行基因組組裝。在此基礎上，藉助Hi-C輔助組裝技術將8,620-15,174 條Contigs錨定到了11條染色體上，最終獲得了1.5-2.3 Gb大小的染色體水平的蜱蟲基因組，部分基因組的Scaffold N50達到了208.7 Mb，Contig N50 1.8 Mb（表1，圖1）。BUSCO評估大於90%，illumina短reads的覆蓋度也都在96%以上，表明組裝基因組具有較好的完整性和準確度，可用於後續研究。
表1 蜱蟲基因組的組裝和註釋信息統計
蜱蟲基因組特徵及進化分析
蜱蟲基因組中約52.6％-64.4％為重複序列，且多為長散在重複序列（Line）和長末端重複序列（LTR）。六種蜱蟲基因組含有的蛋白編碼基因數量不同（表1），且基因的平均長度、外顯子數量、內含子平均長度等遺傳結構存在顯著差異。進一步的系統進化分析顯示，硬蜱屬蜱蟲與其他蜱種在200 Mya年前發生了分歧，使得I. persulcatus與其他蜱種之間具有較大的遺傳差異。H.longicornis、R. microplus、R. sanguineus、H. asiaticum和D. silvarum在137.8 Mya前由共同祖先分化而來。
圖1 蜱蟲基因組特徵及進化分析
蜱蟲吸血的遺傳基礎及表型
蜱蟲基因組中蛋白酶活性、轉移酶活性、轉錄調控、轉運蛋白活性和免疫相關蛋白家族的擴張（圖2A），會影響蜱蟲對血紅蛋白的消化、血紅素運輸、解毒、氧化脅迫響應等生物學過程，使得蜱蟲具有較強的吸血能力。
蜱蟲在寄主上的附著時間受個體的解毒能力、宿主尋找、血液消化能力、營養代謝、免疫反應等多種因素影響（圖2B）。作為血液依賴性生物，蜱蟲基因組中參與調控血紅素生物合成和降解的基因雖發生了丟失，但其基因組中參與鐵代謝的TMPRSS6發生了擴張，使得蜱蟲能夠從宿主中獲取和運輸亞鐵血紅素和鐵，來維持自身的關鍵生理過程。與此同時，遊離的亞鐵血紅素和鐵會導致活性氧（ROS）的產生，蜱蟲基因組中的抗氧化酶、自由基清除劑、血紅素介導的ROS相關的激活因子編碼基因具有較高的保守性，使得蜱蟲能夠維護自身的氧化還原平衡，免受氧化脅迫毒害。此外，蜱蟲還進化出了多種胞內和體液免疫能力，使得其能夠吸附於宿主表面並保持平衡。
圖2 蜱蟲吸血的遺傳基礎和相關表型
群體結構和遺傳多樣性
我國蜱蟲種類多樣，但由於基因組信息缺乏，對蜱蟲遺傳多樣性及分佈規律的研究工作一直難以開展。該研究基於組裝獲得的高質量蜱蟲基因組，對來源於不同地域和生境的678個野生蜱蟲進行重測序，發現不同類別的蜱蟲雖具有相似的擴散策略，但其群體進化具有明顯的生態地域性和物種特異性。例如，來自新疆和內蒙古的H. asiaticum，雖在形態上極為相似，卻具有不同的遺傳特性；H. longicornis雖然分佈較廣，但其遺傳多樣性相對較低、基因組相對保守；單宿主蜱種R. microplus明顯具有三個不同的地域性進化分支，暗示了單一的宿主特性可能促成了不同地域R. microplus的進化。
圖3 蜱蟲遺傳多樣性和群體結構分析
影響蜱媒病原體分佈的關鍵因素
蜱蟲基因組的多樣性決定了蜱蟲與病原體之間的相互作用會非常複雜，需要進一步探究蜱媒病原體的生態分佈和進化機制。該研究利用宏基因組學對宿主基因流對病原體分佈的影響進行了評估，發現病原體的分佈與構成也具有蜱種特異性和生態地域性：I. persulcatus攜帶的病原體種類最多，R. sanguineus中較少，D. silvarum中立克次體的丰度和佔比很高；即使是生活在不同生態地域的同一蜱種，攜帶的立克次體種類也有所不同。值得注意的是，高丰度（如立克次體）和低丰度（如螺旋體）的病原體，都可以經蜱傳播，引發蜱媒傳染病（如立克次體病與萊姆病），因此，需要建立更靈敏的檢測方法監測低丰度的病原體，用於蜱媒病的防控。
圖4 蜱媒病原體分析
文章總結
- 該研究利用二代、三代和Hi-C輔助組裝相結合的測序策略，組裝獲得了六個高精度的染色體水平的蜱蟲基因組。
- 基於組裝的參考基因組，系統闡示了不同蜱種的演化史及分化時間，並通過比較基因組和轉錄組學分析，從血紅素利用、鐵代謝、活性氧（ROS）平衡、細胞與體液免疫等方面揭示了蜱專性吸血的遺傳機制。
- 蜱種特異性和生態地域性都會影響蜱媒病原體的分佈，高丰度和低丰度的病原體都能夠引發蜱媒傳染病，需要建立更靈敏的檢測方法監測低丰度的病原體，防控蜱媒病的傳播。
安諾基因配備了一系列先進的分子生物學儀器設備，實現了從樣本提取、文庫製備到上機測序的全自動化操作，先進的三代PacBio（7臺Sequel II+10臺Sequel）測序平臺，保障測序工作高效、快速的開展；專業的生物信息分析團隊，豐富的項目分析經驗，為數據分析提供有力支持和保障。安諾基因已與中國農業大學、中科院遺傳與發育所、中國海洋大學、中國農業科學院、福建農林大學等多家科研院所開展了深度合作，助力基因組文章發表於Nature、Nature Plants、Nature Communications、Molecular Plant、Communications Biology、The Plant Journal等多個國際高水平期刊。
參考文獻：
Na Jia, Jinfeng Wang, Wenqiang Shi, et al., Large-scale comparative analyses of tick genomes elucidate their genetic diversity and vector capacities[J]. Cell, 2020, doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.023
