纖恙螨屬線粒體基因組研究進(jìn)展

楊慧娟，董文鴿

恙蟲病又稱叢林斑疹傷寒，通過恙螨叮咬引起，是世界上危害嚴(yán)重的一類人獸共患寄生蟲病，既往曾被列為我國法定傳染性疾病[1-2]。纖恙螨屬Leptotrombidium隸屬于動(dòng)物界Animalia、節(jié)肢動(dòng)物門Arthropoda、蛛形綱Arachnida、蜱螨亞綱Acari、真螨總目Acariformes、前氣門目Prostigmata、恙螨科Trombiculidae[3]。全世界記錄了近3 000種恙螨，在中國已報(bào)告500余種[4]。恙螨生活史比較復(fù)雜，分為7個(gè)時(shí)期：包括卵、次卵、幼蟲、若蛹、若蟲、成蛹和成蟲[5]。除幼蟲必須營寄生生活以外，其他生活史時(shí)期均為營自由生活[6]。幼蟲導(dǎo)致的直接危害是形成以黑褐色焦痂為特征的恙螨性皮炎。目前已測(cè)序的3種纖恙螨(紅纖恙螨Leptotrombidiumakamushi、地里纖恙螨Leptotrombidiumdeliense和蒼白纖恙螨Leptotrombidiumpallidum)均為恙蟲病的重要傳播媒介恙螨[7]。

線粒體存在于大多數(shù)真核生物細(xì)胞，為各種生命活動(dòng)提供能量，是進(jìn)行有氧呼吸的主要場(chǎng)所[8]。線粒體基因組是一般大小為15～20 kb的閉合雙鏈環(huán)狀分子，共37個(gè)基因，包括22個(gè)tRNA基因、13個(gè)蛋白編碼基因(nad1-6；nad4L；cox1-3；cob；atp6；atp8)和2個(gè)rRNA基因(rrnS和rrnL)，通常還包括一段較長的非編碼區(qū)[9-10]。近年來，隨著新一代高通量測(cè)序技術(shù)的興起以及技術(shù)的逐漸成熟，越來越多蜱螨線粒體全基因組被測(cè)定。據(jù)NCBI基因組數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，纖恙螨屬僅3種恙螨提交了線粒體基因組全序列。

本文綜述了3種纖恙螨(蒼白纖恙螨，登錄號(hào): NC_007177)；紅纖恙螨，登錄號(hào): NC_007601)和地里纖恙螨，登錄號(hào): NC_007600)線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu)、非編碼區(qū)、堿基組成、蛋白編碼基因、基因重疊與基因間隔、tRNA和rRNA基因特征，分析纖恙螨屬線粒體基因組獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和變異情況，為進(jìn)一步了解恙螨的分子進(jìn)化、系統(tǒng)發(fā)育研究提供更多的證據(jù)。

1 纖恙螨屬線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

迄今為止已測(cè)序的3種纖恙螨(蒼白纖恙螨、紅纖恙螨和地里纖恙螨)線粒體基因組均為閉合環(huán)狀分子，大小分別為16 779 bp、13 698 bp、13 731 bp[11]。后生動(dòng)物典型的線粒體基因組包括22個(gè)tRNA基因、13個(gè)蛋白編碼基因、2個(gè)rRNA基因以及1個(gè)非編碼區(qū)(也叫控制區(qū))(NCR)[12]。3種纖恙螨非編碼區(qū)的數(shù)量不止1個(gè)，紅纖恙螨和地里纖恙螨有2個(gè)非編碼區(qū)，蒼白纖恙螨有4個(gè)非編碼區(qū)。大多數(shù)后生動(dòng)物線粒體基因組編碼2個(gè)rRNA基因(rrnL和rrnS)，但在蒼白纖恙螨中，多了一個(gè)大亞基rRNA基因(rrnL)和一個(gè)小亞基rRNA假基因(PrrnS)，且長度只有rrnS的一半[13]。一般來說，線粒體基因含量和排列在較低分類水平(科和屬)上是保守的，而在較高分類水平(門)上差異較大[14]。比較3種纖恙螨與節(jié)肢動(dòng)物祖先以及前氣門目部分物種的線粒體基因組，發(fā)現(xiàn)不同科之間線粒體基因排列有很大不同，且同屬內(nèi)不同物種的基因排列也存在較大差異(圖1)。首先，與節(jié)肢動(dòng)物祖先線粒體基因組相比，紅纖恙螨和地里纖恙螨有29個(gè)不保守基因邊界，11個(gè)保守基因邊界；蒼白纖恙螨有34個(gè)不保守基因邊界，10個(gè)保守基因邊界。其次，蚌螨屬2個(gè)物種顯示了2種類型的基因排列(圖1)，基因簇trnA-nad3-trnF-trnT-trnY-trnN-trnL1-CR-trnH-trnS1-nad4-trnR-trnV卻是共有的,說明這個(gè)基因簇是蚌螨屬的共有衍征；蠕形螨屬2個(gè)物種顯示了種類型的基因排列，共享2個(gè)基因簇trnL1-trnV-rrnS-trnF和trnM-trnN-trnS1-trnE；同樣，纖恙螨屬3個(gè)物種顯示2種類型的基因排列(圖1)，4個(gè)衍生的基因簇trnH-nad4L-trnL1-trnT-trnL2-nad1-trnY、trnS1-trnP-nad4-R-V、trnD-atp8-atp6-cox3-trnE-trnG-trnN和trnW-nad5-trnF-trnA-nad3是纖恙螨屬的共有衍征[15-18]。

注：下劃線表示基因在N鏈上。藍(lán)色表示反向移位，綠色表示僅發(fā)生移位，rrnS和rrnL用深灰色表示，控制區(qū)用淺灰色表示。下劃線表示共享的基因簇。圖片下方的圓圈表示保守的基因邊界。圖1 節(jié)肢動(dòng)物祖先以及前氣門目部分物種的線粒體基因排列順序[11]Fig.1 Mitochondrial gene arrangement order in arthropod ancestors and in some species of Prostigmata[11]

2 線粒體基因組非編碼區(qū)

線粒體基因組中最大的非編碼區(qū)叫做控制區(qū)(control region)，負(fù)責(zé)線粒體DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的起始，控制區(qū)的進(jìn)化速度比線粒體DNA其他區(qū)域快3～5倍[19]。因此，控制區(qū)序列廣泛用于遺傳多樣性[20]、種類鑒定[21]、群體遺傳結(jié)構(gòu)和起源進(jìn)化[22]等研究。在昆蟲中，由于控制區(qū)A+T含量較高，也稱控制區(qū)為A+T富集區(qū)(A+T-rich region)[23]。3種纖恙螨非編碼區(qū)A+T含量在59.54%～66.71%之間?？刂茀^(qū)的長度在不同分類群中差異很大，甚至在親緣性較高的物種之間也是如此[24]。蒼白纖恙螨控制區(qū)總長度為2 742 bp(表1)。紅纖恙螨和地里纖恙螨控制區(qū)總長度分別為521 bp和591 bp(表1)。這就解釋了為什么蒼白纖恙螨的線粒體基因組要比另外2種纖恙螨的線粒體基因組大。紅纖恙螨和地里纖恙螨2個(gè)控制區(qū)大小相近，蒼白纖恙螨4個(gè)控制區(qū)大小不同，且3種纖恙螨控制區(qū)的核苷酸序列幾乎相同。由于協(xié)同進(jìn)化導(dǎo)致控制區(qū)核苷酸序列高度相似[25]，可推測(cè)這3種纖恙螨是協(xié)同進(jìn)化而不是獨(dú)立進(jìn)化。只有獨(dú)立進(jìn)化才能導(dǎo)致控制區(qū)核苷酸序列的差異，最終導(dǎo)致其中某一個(gè)控制區(qū)退化或缺失[26]。此外，重復(fù)控制區(qū)的堿基替換速率低于非重復(fù)控制區(qū)的堿基替換速率。所以，在使用控制區(qū)作為系統(tǒng)發(fā)育標(biāo)記之前，應(yīng)檢查線粒體基因組排列是否存在重復(fù)控制區(qū)，以避免重復(fù)控制區(qū)對(duì)系統(tǒng)發(fā)育估計(jì)的負(fù)面影響[27]?？刂茀^(qū)在后生動(dòng)物中相對(duì)保守，通常位于rrnS和rrnL之間[28]，但3種纖恙螨控制區(qū)的位置具有極強(qiáng)的變異性(圖1)。

有研究表明，動(dòng)物線粒體基因組控制區(qū)長度的變化都是由串聯(lián)重復(fù)序列的重復(fù)類型及重復(fù)次數(shù)引起，因此控制區(qū)被認(rèn)為是線粒體基因組DNA序列和大小變異的主要來源[29-30]。這一結(jié)論在魚類、哺乳類、鳥類、爬行類和昆蟲等線粒體基因組研究中得到了證實(shí)[31-32]。目前僅在狄斯瓦螨Varroadestructor和戶塵螨Dermatophagoidespteronyssinus的控制區(qū)中發(fā)現(xiàn)存在串聯(lián)重復(fù)序列[33-34]。通常認(rèn)為DNA復(fù)制過程中的滑鏈可導(dǎo)致串聯(lián)重復(fù)序列的出現(xiàn)[35]。3種纖恙螨控制區(qū)均未存在串聯(lián)重復(fù)序列,說明這3種纖恙螨在線粒體基因組復(fù)制過程中沒有發(fā)生DNA滑鏈現(xiàn)象。

3 纖恙螨屬線粒體基因組的堿基組成

3種纖恙螨A+T含量分別為67.47%、69.95%、70.96%，G+C含量分別為32.53%、30.05%、29.04%(表1)。發(fā)現(xiàn)紅纖恙螨和地里纖恙螨的A+T含量略低于螨類線粒體基因組的平均A+T含量(75.34±4.78%)[36]，只有蒼白纖恙螨的A+T含量在螨類線粒體基因組的平均A+T含量范圍內(nèi)。3種纖恙螨A+T含量與G+C含量兩兩之間相差不大，一般情況下，同科或同屬之間A+T與G+C含量相近[37]。后生動(dòng)物線粒體基因組在核苷酸組成上通常表現(xiàn)出明顯的鏈偏向[38]。這被認(rèn)為是由于一種不對(duì)稱的突變模式導(dǎo)致，其中一條鏈在轉(zhuǎn)錄和復(fù)制過程中暫時(shí)保持單鏈狀態(tài)，使DNA更容易受到損傷[39]。核苷酸鏈偏向可以用AT-偏斜和GC-偏斜來測(cè)量(分別為(A%-T%)/(A%+T%)、(G%-C%)/(G%+C%))[40]。3種纖恙螨線粒體基因組AT-偏斜與GC-偏斜均為負(fù)值，AT-偏斜與后生動(dòng)物線粒體基因組典型的鏈偏向(AT-偏斜為正，GC-偏斜為負(fù))相反，GC-偏斜則相同(表1)，造成這種鏈偏向的逆轉(zhuǎn)可能是控制區(qū)倒置的結(jié)果，因?yàn)榭刂茀^(qū)倒置受線粒體DNA的不對(duì)稱突變約束影響[41]。此外，在螨類線粒體基因組中，似乎很少見到正GC-偏斜。但3種纖恙螨cox1基因第3密碼子的AT-偏斜和GC-偏斜與后生動(dòng)物典型的鏈偏向相反(表2)，cox1基因在核苷酸和氨基酸水平上進(jìn)化最慢[42]。

表1 3種纖恙螨線粒體基因組的核苷酸組成Tab.1 Nucleotide composition of the mitochondrial genomes of three species of the genus Leptotrombidium

表2 蛋白編碼基因cox1第3密碼子的核苷酸組成[43]Tab.2 Nucleotide composition at the third codon of the protein-coding gene cox1[43]

4 纖恙螨屬蛋白編碼基因

線粒體基因組13個(gè)蛋白編碼基因進(jìn)化速率不一致，通常用作DNA條形碼分子標(biāo)記來鑒定物種以及作為種下階元研究親緣關(guān)系[44]。3種纖恙螨蛋白編碼基因大多以標(biāo)準(zhǔn)的ATN(ATA、ATT、ATG、ATC)為起始密碼子，少數(shù)使用非標(biāo)準(zhǔn)的起始密碼子，如蒼白纖恙螨nad4基因以TTG為起始密碼子。特殊的起始密碼子可以縮短基因間距，避免基因重疊現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)錄后經(jīng)過編輯可以形成正確的起始密碼子來執(zhí)行功能[45]。線粒體基因組13個(gè)蛋白編碼基因大多以TAA、TAG及不完整的T或TA為終止密碼子。紅纖恙螨和地里纖恙螨有6個(gè)蛋白編碼基因(cox1、cox3、nad2、nad6、atp6、atp8)的終止密碼子是TAA,另外7個(gè)蛋白編碼基因以不完整的密碼子作為轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)(6個(gè)T，1個(gè)TA)；蒼白纖恙螨有7個(gè)蛋白編碼基因以TAA或TAG為終止密碼子(6個(gè)TAA，1個(gè)TAG),其他6個(gè)蛋白編碼基因，4個(gè)以T作為轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)，2個(gè)以TA作為轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)。不完整的終止密碼子通過轉(zhuǎn)錄后經(jīng)多聚腺苷酸化修飾最終形成完整的終止密碼子[46]。昆蟲線粒體蛋白編碼基因A+T含量相對(duì)較高(64.00%～86.70%)[47]。3種纖恙螨(紅纖恙螨、地里纖恙螨和蒼白纖恙螨)蛋白編碼基因A+T含量分別為67.20%、70.10%、71.40%，說明纖恙螨屬線粒體基因組13個(gè)蛋白編碼基因的A+T含量比大部分昆蟲低。

5 纖恙螨屬線粒體基因組基因重疊區(qū)與基因間隔區(qū)

基因重疊區(qū)是指同一段核酸序列參與不同基因編碼的現(xiàn)象；基因間隔區(qū)是指線粒體基因組中編碼基因之間存在的非編碼序列，大小變化很大。大部分昆蟲的線粒體基因組基因之間排列比較緊密，基因重疊區(qū)和基因間隔區(qū)較少[48]。3種纖恙螨的線粒體基因組有多處基因重疊區(qū)和基因間隔區(qū)。紅纖恙螨有3個(gè)基因重疊區(qū)，地里纖恙螨有5個(gè)基因重疊區(qū)，重疊范圍均在1～4 bp；蒼白纖恙螨有10個(gè)基因重疊區(qū)，重疊范圍在1～13 bp。紅纖恙螨的基因間隔區(qū)有15個(gè)，間隔范圍在1～31 bp；地里纖恙螨的基因間隔區(qū)有8個(gè)，間隔范圍在1～10 bp；蒼白纖恙螨的基因間隔區(qū)有9個(gè)，間隔范圍在1～746 bp。間隔基因的出現(xiàn)一般促進(jìn)生物進(jìn)化，因?yàn)殚g隔基因有利于更多遺傳信息儲(chǔ)存和變異概率增多。

6 纖恙螨屬線粒體tRNA和rRNA基因特征

真螨總目tRNA基因的平均大小[平均值為(54.8±1.0) bp]比寄螨總目[平均值為(62.0±1.3)bp]tRNA基因的平均大小要小很多，導(dǎo)致部分tRNA基因無法形成典型的三葉草式二級(jí)結(jié)構(gòu)，即: 缺失D臂或缺失T臂或同時(shí)缺失D臂和T臂[49]。通常，后生動(dòng)物線粒體基因組22個(gè)tRNA基因只有絲氨酸的tRNA(trnS1(AGN))基因缺失D臂，而其他tRNA基因缺失D臂現(xiàn)象較為罕見[50]。因此，后生動(dòng)物絲氨酸的tRNA基因缺失D臂被認(rèn)為是一個(gè)祖征[51]。3種纖恙螨tRNA基因斷臂現(xiàn)象十分常見，紅纖恙螨和地里纖恙螨有17個(gè)tRNA基因缺少D臂或T臂，蒼白纖恙螨有18個(gè)tRNA基因缺少D臂或T臂；紅纖恙螨和地里纖恙螨有7個(gè)tRNA基因(trnC、trnF、trnH、trnP、trnQ、trnT和trnW)缺失T臂，蒼白纖恙螨在這2種纖恙螨缺失T臂的基礎(chǔ)上還多了trnL2缺失T臂，但3種纖恙螨缺失D臂的10個(gè)tRNA基因(trnA、trnG、trnI、trnL1、trnN、trnR、trnS1、trnS2、trnV和trnY)是相同的(表3)。Shao RF等推測(cè)蒼白纖恙螨18個(gè)tRNA基因非典型的二級(jí)結(jié)構(gòu)不影響正常的生理功能[15]。已有研究表明，豬蛔蟲tRNA基因缺少D臂或T臂具有正常的生理功能[52]，線粒體tRNA基因缺失D臂或T臂的原因可能是這些tRNA基因在翻譯時(shí)和它們相互作用的蛋白質(zhì)是在細(xì)胞核中編碼所造成的[53]。然而，蛛形綱動(dòng)物似乎有一種補(bǔ)償機(jī)制，允許截短的tRNA基因在翻譯時(shí)與核糖體相互作用來維持這些tRNA基因的功能以此來減少突變發(fā)生[54]。

3種纖恙螨2個(gè)rRNA基因分別編碼大亞基rrnL和小亞基rrnS，2個(gè)rRNA基因(rrnS和rrnL)在其它螨類以及大多數(shù)節(jié)肢動(dòng)物線粒體基因組中均由輕鏈(N-鏈)編碼[55]。紅纖恙螨和地里纖恙螨的2個(gè)rRNA基因均位于重鏈(J-鏈)上。蒼白纖恙螨的2個(gè)rrnL基因，一個(gè)rrnL基因位于輕鏈(N-鏈)上，另一個(gè)rrnL基因位于重鏈(J-鏈)上[56]。3種纖恙螨rrnS基因A+T含量分別為67.11%、70.27%和72.05%(表1)，均不在螨類rrnS基因范圍內(nèi)(76.5±4.2)%。rrnL基因A+T含量分別為72.03%、73.02%和74.90%(表1)，只有蒼白纖恙螨rrnL基因A+T含量在螨類rrnL基因范圍內(nèi)(78.0±4.1)%[33]。與雅庫巴果蠅相比，3種纖恙螨rrnL基因都缺失螺旋B9、B11、B12、B20、C1、D1、CD1和H3，但復(fù)合螺旋D17-D18-D19卻是獨(dú)有的[57]。螺旋E2和E19只有蒼白纖恙螨單獨(dú)缺失，且螺旋H2高度保守。rrnS基因缺少螺旋1、2、4、5、6、7、8和12，復(fù)合螺旋19-20-21和39-40-42具有與其他節(jié)肢動(dòng)物完全不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)[58]。有研究表明，rRNA基因大小的減少可能與tRNA基因缺失T-臂之間存在著某種關(guān)聯(lián)[59]。

表3 3種纖恙螨tRNA基因缺D臂和T臂的情況[51]Tab.3 Three species of the genus Leptotrombidium tRNA genes lacking the D and T arms[51]

7 討論與展望

對(duì)纖恙螨屬3種纖恙螨線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu)、非編碼控制區(qū)(A+T富集區(qū))、堿基組成、蛋白編碼基因、基因重疊與基因間隔、tRNA基因和rRNA基因特征進(jìn)行了初步分析，發(fā)現(xiàn)與節(jié)肢動(dòng)物祖先有很多不同之處。3種纖恙螨tRNA和rRNA基因比其他蜱螨亞綱物種要小很多，rRNA基因大小的減少可能與tRNA基因缺失T-臂之間存在著某種關(guān)聯(lián)，Yamazaki N等人認(rèn)為tRNA和rRNA基因大小的減少反映了線粒體基因組一種獨(dú)特的趨勢(shì)，即線粒體基因組的最小化[60]，他提出的這種假設(shè)還有待驗(yàn)證。蒼白纖恙螨tRNA基因非典型二級(jí)結(jié)構(gòu)不影響tRNA基因的正常功能，另外2種纖恙螨部分tRNA基因非典型二級(jí)結(jié)構(gòu)是否對(duì)某些功能造成影響還不得而知，目前也沒有發(fā)現(xiàn)同時(shí)缺少D-臂和T-臂的tRNA基因是否影響其正常功能。后續(xù)可以采取更多的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)一步探究缺乏D-臂或T-臂或同時(shí)缺失D-臂和T-臂的tRNA基因是否具有正常生物學(xué)功能。

3種纖恙螨協(xié)同進(jìn)化能否判斷纖恙螨屬中所有物種都是協(xié)同進(jìn)化還是某些物種是獨(dú)立進(jìn)化，或者這3種纖恙螨成為恙蟲病的傳播媒介恙螨是否與多個(gè)非編碼區(qū)有關(guān)，仍是一個(gè)有待鉆研的問題。3種纖恙螨cox1基因第三密碼子位置的AT-偏斜和GC-偏斜與后生動(dòng)物典型的鏈偏向相反，是不是可能與cox1在核苷酸和氨基酸水平上是進(jìn)化最慢的基因有關(guān)？因此，需要加強(qiáng)對(duì)纖恙螨屬線粒體基因組學(xué)的研究來說明這種解釋是否成立。

總之，通過比較和歸納現(xiàn)有纖恙螨屬線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征和變異情況，其將為全面認(rèn)識(shí)蜱螨亞綱線粒體基因組提供新的科學(xué)依據(jù)，3種纖恙螨的這些獨(dú)有特征是否是整個(gè)纖恙螨屬的特征還有待研究，因此，在今后的研究中，應(yīng)該不斷擴(kuò)大和豐富恙螨線粒體基因組的測(cè)序規(guī)模，從線粒體基因組角度出發(fā)，更好地對(duì)恙螨科系統(tǒng)進(jìn)化甚至是物種起源進(jìn)行準(zhǔn)確分析，我國是受恙蟲病危害較嚴(yán)重的國家，而纖恙螨屬是傳播恙蟲病的重要媒介。結(jié)合我國恙蟲病流行的實(shí)際開展恙螨研究，在豐富蜱螨亞綱基因組數(shù)據(jù)庫的同時(shí)，也促進(jìn)了螨媒物種多樣性的研究，在一定程度對(duì)流行性出血熱及其媒介革螨的預(yù)測(cè)、預(yù)警、防控具有直接的指導(dǎo)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

利益沖突：無

引用本文格式：楊慧娟，董文鴿. 纖恙螨屬線粒體基因組研究進(jìn)展[J].中國人獸共患病學(xué)報(bào)，2022，38(7)：649-656. DOI:10.3969/j.issn.1002-2694.2022.00.084