【论文故事】破译昏睡病传播媒介基因组

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采采蝇（tsetse fly），又叫舌蝇（Glossina morsitans morsitans）。这种靠吸食脊椎动物血液为生的昆虫是非洲昏睡病和锥虫病的唯一传播媒介。经过近10年的努力，国际舌蝇基因组行动（International Glossina Genome Initiative，IGGI）终于整理出了完整基因组。这成果已于2014年4月25日发表在《科学》杂志上[1]，果壳网就此对该研究的通讯作者，耶鲁大学公共卫生学院的塞拉普·阿克索伊（Serap Aksoy）教授进行了专访。
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【论文故事】破译昏睡病传播媒介基因组

采采蝇。图片来源：Geoffrey Attardo/ Yale School of Public Health
/ b) Y6 x0 S$ k/ n“采采蝇是南撒哈拉的一种重要的人畜疾病传播媒介。”阿克索伊教授介绍说，“人类的昏睡病有待重视，它影响着南撒哈拉155万平方千米范围内700万人的生命健康。除了昏睡病之外，动物疾病比如锥虫病，限制了非洲一千万平方公里面积内的畜牧活动。这些疾病每年能造成30万牲畜的死亡，给畜牧业带来的经济损失大约有10至12亿美元，农业损失则约有47.5亿美元。”在这样沉重的数字下，国际舌蝇基因组行动在2004年正式展开，旨在通过解码采采蝇的基因组来帮助非洲南撒哈拉地区的疾病防控研究。而阿克索伊教授便是该协会的核心成员。
这套基因组有366Mb大小，是经典的模式昆虫黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的两倍之多，估计有12308个蛋白编码序列，整个基因组图谱构建工作跨越了近10年。研究团队起初对细菌人工染色体、小片段质粒和大片段福斯质粒的基因组文库开展桑格测序，随后改为用最新的Illuminia测序，工程量不可谓不浩大。“考虑到我们的研究团队并不大，为了获得全部序列，我们需要克服无数挑战——技术上、生物上和经济上的都有。”说起这十年，阿克索伊感慨道，“对于大部分基因组项目，我们需要把分析限制在单一遗传品系上，从而促进小的序列片段（几千个碱基）整合成大的骨架（几百万个碱基）。能从雌蝇中提取到的遗传材料很有限，因为它每次生育的后代非常少，这与其他昆虫不一样。到了近几年，当然了，对DNA量要求更少的基因组学技术帮助我们推进了整合进度。我们也想将这个基因组项目用作一个平台，为非洲盛行地方病的国家建造遗传学、基因组学和生物信息学的研究能力。作为这个初衷的一部分，IGGI还主持了许多研讨会和培训班，这些都对最终结构这组基因组数据极有帮助。”阿克索伊对果壳网说。
这份研究还分析了基因组中的相关基因，更科学地解读了采采蝇的独特习性，包括取食、免疫、生殖等。“ 除了作为重要的疾病传播媒介，采采蝇也因为它们独特的生物特性出名：它们只吃脊椎动物的血液，产下幼虫后用‘乳汁’来哺育，并且和体内共生的细菌有着复杂的关系——没有那些细菌，它们就不能繁殖。”阿克索伊介绍道。除了锥虫，采采蝇体内还有共生菌魏格沃斯菌（Wigglesworthia glossinidia）、Sodalis glossinidius以及内共生菌沃尔巴克氏体（Wolbachia），这些菌在蝇体内分布各异，各自影响着不同的生理过程。研究小组发现，采采蝇和这些共生微生物之间已经出现了不同程度的基因交流，那些微生物的不少序列已经整合入采采蝇的基因组。
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【论文故事】破译昏睡病传播媒介基因组

各共生微生物在采采蝇体内的分布示意图。红色为沃尔巴克氏体（Wolbachia），分布在卵巢（或睾丸），有>1Mb的基因组已整合入采采蝇基因组中。它能影响配子识别，对育性很重要。绿色为威格尔斯沃氏菌（Wigglesworthia glossinidus），分布在泌乳腺体和幼虫肠道中，协助幼虫的免疫系统发育，也能为雌蝇和幼虫分泌不少维生素。蓝色为Sodalis glossinidus，在细胞内外都有分布，能作为潜在靶点通过基因工程表达抗锥虫物质。图片来源： International Glossina Genome Initiative (2014) Science 344(6182): 380-386.
阿克索伊介绍说：“我们的其中一个发现与采采蝇的嗅觉系统有关，而这貌似比其它疾病传播媒介，如蚊子，要精简高效许多。另一个发现与采采蝇独特的繁殖生理有关，包括一次只产生1个后代，并分泌‘乳汁’哺育幼年后代。我们现在已经发现所有组成‘蝇奶’的蛋白了，并且鉴定出了至少1个应该和孕期合成这些蛋白有关的转录因子。”除了新的发现，对基因组的解读也证实了一些先前的猜测。“我们先前认为采采蝇的单一食谱，即脊椎动物的血液，会限制其内脏与环境微生物的接触机会，从而削弱免疫系统。”阿克索伊说，“与这个假设一致的是，我们发现它们编码病原识别相关蛋白的基因减少了。”
“要控制哺乳动物的疾病传播是很具挑战性的，因为目前缺少有效的疫苗，廉价易于运输的药物，以及分布广易获取的诊断工具。不过，通过诱捕和杀虫剂等技术来减少采采蝇的数目，则能有效地控制疾病。我们的目标是增进对它嗅觉、味觉和视觉等过程的理解，从而优化现有防控手段。另外，关于采采蝇免疫、消化、繁殖和共生等过程的了解能够帮助开发新的手段来控制它。”与果壳网说起他们的研究目标时，阿克索伊满怀憧憬。
而有了基因组数据，今后的相关研究也将如鱼得水。“有8篇研究文章于在4月25日发表在公共科学图书馆（PLoS）上，以‘采采蝇基因组生物学选集’为题。这些研究中，协会成员们利用这个基因组计划的信息从多个角度研究了采采蝇的生理。”阿克索伊如是介绍团队的近况，“比如说，他们了解到了一些和采采蝇受诱捕和目标信号吸引（嗅觉）相关的蛋白质和基因，以及一些能让它们受蓝光吸引（视觉）的基因。另一个独特的方面就是采采蝇的繁殖，包括一次只产生一个后代，并从母蝇孕期内子宫分泌的‘乳汁’能够中吸收营养（泌乳）。对泌乳过程的的干扰会造成流产和种群数下降。像这样，这份遗传蓝图会大大加快研究进度，帮助科学家们研发出新的手段来瞄准采采蝇生命周期中薄弱的瓶颈，从而减少其数量，控制疾病。”
7 T' ^! m- ]. M8 k参考文献：

International Glossina Genome Initiative (2014) Genome Sequence of the Tsetse Fly (Glossina morsitans): Vector of African Trypanosomiasis. Science 344(6182): 380-386. doi: 10.1126/science.1249656
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文章题图：Yale School of Public Health果壳网相关小组：环球科技观光团        从核酸到蛋白质