魏輔文院士团队揭示非模式哺乳动物与其寄生蛔虫协同演化的基因组学机制

  協同演化(Coevolution)是指兩個或多個物種通過自然選擇的過程相互影響彼此的演化,按種間關系可分爲互利的協同演化和拮抗的協同演化。其中,宿主和寄生蟲的協同演化就是典型的拮抗協同演化。在已有的關于協同演化的遺傳機制研究中,較多集中于候選基因水平,而缺乏基因組水平的研究。隨著基因組測序技術的發展,一些和人類及家養動物健康息息相關的寄生蟲基因組被解析。然而,目前的絕大多數研究只著眼于寄生蟲基因組的結構和功能解析,並未探討相應宿主基因組的相關變化,也未著眼于宿主與寄生蟲兩者間協同演化的基因組學機制。

  为探讨以上科学问题,魏輔文院士团队对大熊猫贝蛔虫(Baylisascaris schroederi)、小熊貓貝蛔蟲(Baylisascaris ailuri)、獅弓蛔蟲(Toxascaris leonina)進行基因組從頭測序和組裝,並通過比較基因組學分析,來研究非模式哺乳動物與其寄生蛔蟲協同演化的遺傳機制,以及蛔蟲寄生生活的適應機制和大、小熊貓貝蛔蟲特殊的適應機制。

  全基因组水平系统发育树显示,宿主和蛔虫的系统发育树并不一致,表明在物种层面寄生蛔虫并没有与它们的宿主协同演化。通过模拟蛔虫在宿主体内的生活史,构建了全基因组层面宿主和蛔虫的蛋白相互作用,结果发现CTSZ和P4HB这两个免疫调节蛋白在哺乳动物和寄生蛔虫的互作网络中起着核心作用。进一步地,对5种哺乳动物和其寄生蛔虫的互作系统中的186对共有的互作蛋白的基因树拓扑结构比较分析发现,7对互作蛋白(CRP-PLA2G1B、PLA2G7-PLA2G1B、 PLA2R1-PLA2G1B、PLB1-PLA2G1B、IGFBP7-P4HB、MMP8-CTSZ 和 QPCT- CTSZ)基因树的拓扑结构一致,反映了宿主和蛔虫之间基因水平的协同演化。这7对互作蛋白与寄生虫感染期间的免疫反应密切相关。

  此外,將寄生蛔蟲的正選擇基因在75種寄生線蟲和12種自由生活線蟲中進行比較分析,以識別寄生線蟲特異的氨基酸位點。結果鑒定了34個正選擇基因攜帶有60個寄生線蟲特異的氨基酸位點,這些正選擇基因部分富集在有絲分裂等幼蟲發育和生殖相關通路。最後,發現大、小熊貓貝蛔蟲基因組中均具有較高的金屬蛋白酶基因比例,且其分泌組含有更多的糖基轉移酶和細胞色素P450通路蛋白基因,這可能與其適應宿主食物——竹子的次生代謝産物有關;大、小熊貓貝蛔蟲的正選擇基因部分富集在幼蟲發育和生殖相關通路,顯示可能與大、小熊貓貝蛔蟲幼蟲的快速發育相關。

  該研究結果從基因組水平揭示了非模式哺乳動物與其寄生蛔蟲協同演化的遺傳學基礎,爲宿主和寄生蟲協同演化的分子機制提供了新的認識。同時,本研究獲得的蛔蟲基因組資源、分泌組、以及協同演化的關鍵互作蛋白等也爲科學預防大、小熊貓等瀕危動物的蛔蟲病提供了重要候選基因資源。

  相关研究结果于2020年9月23日以“Genomic signatures of coevolution between non-model mammals and parasitic roundworms”为题在线发表在Molecular Biology and Evolution杂志上。胡义波研究員和博士生虞立君为論文的共同第一作者,魏輔文院士为論文的通讯作者。该研究得到了中國科學院B类先导专项、国家自然科学基金委、中科院前沿重点项目、青促会项目等资助。

  論文链接:

  https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msaa243/5910001?guestAccessKey=49baeb83-4656-443f-812f-a4932d5c595f

图1. 五种非模式哺乳动物与其寄生蛔虫基因组水平的蛋白互作分析发现,免疫调节蛋白CTSZ和P4HB在蛋白互作网络中发挥中心作用

图2. 哺乳动物宿主和其寄生蛔虫物种水平(a)和基因水平(b)的系统发育关系,反映了基因水平的宿主和蛔虫之间的协同演化

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