de novo测序对昆虫生物学特性的研究

2017-01-10    编辑:诺禾致源

2016年,在Nature Communications杂志上,同一时间发表了两篇臭虫基因组de novo测序文章。

研究背景

臭虫是半翅目(Hemiptera)臭虫科(Cimicidae)昆虫,约75种,其发育过程为渐变态的,
即一生包括卵、若虫和成虫3个阶段,其中若虫有5个龄期(图1)。
臭虫以吸食人和温血动物的血液为生,人被叮咬后,严重时可导致皮肤红肿发炎、痒痛难忍,
有些人可发生丘疹样麻疹,以小儿为多见,若长期被较多的臭虫寄生,可引起
贫血、神经过敏和失眠、虚弱等症状[1,2]

图1 臭虫发育周期示意


虽然两个版本的基因组组装指标有所差异,但它们研究的问题却是相似的,
重点研究了臭虫与寄主特异性、稀释血液和免疫相关功能基因(图2),
并且对臭虫与抗杀虫剂有关基因信息进行了鉴定,
为臭虫防治策略的制定以及臭虫叮咬引起的过敏反应的鉴定提供了理论指导[1,2]。


图2 臭虫血食性基因鉴定及系统进化分析

研究结果

1. 基于全基因组数据构建分子系统树

通过构建不同种蜜蜂的系统发育树,明确了各种蜜蜂的进化关系和分歧时间,证实了简单真社会性进化,包括分化出专门的生育和非生育蜜蜂个体,需要新的基因来协调群体动力学特征(图3)[3]

图3 蜜蜂系统发育关系和分歧时间分析
蓝色:祖先独居;绿色:兼并简单群居;橙色:必要简单群居;红色:必要复杂性群居。



2. 进行比较基因组学研究,

进行比较基因组学研究,探寻特有的基因/基因家族,以及重要功能基因的收缩或者扩张等;并对这些家族进行GO/KEGG/InterPro domain功能富集分析对斯氏按蚊与其他种蚊子的同源基因进行比较分析,斯氏按蚊的11,789个预测蛋白基因中共有10,492(78.9%)个基因和冈比亚蚊、埃及伊蚊、果蝇有同源性(图4)[4]

图4 斯氏按蚊与其他物种同源基因比较

3. 其他重要个性化生物学问题的研究

如共生微生物组分析、免疫系统研究、药物靶位点分析、性别决定机制等通过对采采蝇进行基因组测序,发现有多种微生物和采采蝇互利共生,包括魏格沃斯菌,生长在肠道相关的细菌组器官和乳腺的腔内;沃尔巴克氏体存在于一些野生采采蝇群体中,一般驻留在性腺组织(图5)[5]

图5 采采蝇微生物组、共生菌组织分布、生理重要性以及基因相互作用总结展示图



在对斯氏按蚊免疫系统的研究中发现,FKBP12基因在斯氏按蚊所有发育阶段和组织中都高度表达(图6)。FKBP12是一种能够调节转化生长因子(TGF)-β和雷帕霉素靶标(TOR)信号的蛋白,鉴于TOR信号在哺乳动物中是许多生物学功能的基础,在按蚊中FKBP12的高水平表达可能对TOR活性的调节有重要作用[4]

图6 在发育过程中及吸血后FKBP12相对于其它信号分子基因集的表达情况

参考文献

[1] Benoit J B, Adelman Z N, Reinhardt K, et al. Unique features of a global human ectoparasite identified through sequencing of the bed bug genome[J]. Nature communications, 2016, 7.

[2] Rosenfeld J A, Reeves D, Brugler M R, et al. Genome assembly and geospatial phylogenomics of the bed bug Cimex lectularius[J]. Nature communications, 2016, 7.

[3] Kapheim K M, Pan H, Li C, et al. Genomic signatures of evolutionary transitions from solitary to group living[J].Science, 2015, 348(6239): 1139-1143.

[4] Jiang X, Peery A, Hall A B, et al. Genome analysis of a major urban malaria vector mosquito, Anopheles stephensi[J]. Genome biology, 2014, 15(9): 1.

[5] International Glossina Genome Initiative.Genome sequence of the tsetse fly (Glossina morsitans): vector of African trypanosomiasis[J]. Science, 2014, 344(6182):380-386.