跨物种多组学解析疟疾媒介昆虫抗药性新机制：基因表达与选择压力的逆向关联

为应对疟疾媒介按蚊（Anopheles）普遍存在的杀虫剂抗性问题，研究人员通过整合RNA测序、全基因组测序和微阵列数据，开展跨物种（An. gambiae复合群与An. funestus）多组学分析，发现高表达基因受更强纯化选择，基因表达在基因组中物理聚类，并鉴定出代谢、表皮和行为相关的新型抗性候选基因。研究开发的Python工具包AnoExpress为抗性机制探索提供资源，揭示了千万年物种分化后仍存在的趋同抗性机制，为疟疾防控策略优化提供关键依据。

　　

疟疾仍是全球公共卫生的重大威胁，2021年导致约61.9万人死亡。尽管杀虫剂处理的蚊帐（ITNs）和室内滞留喷洒（IRS）等干预措施在2000-2015年间避免了80%以上的疟疾病例，但近年来防控进展陷入停滞，部分原因在于主要媒介按蚊对杀虫剂广泛产生抗性。在撒哈拉以南非洲，冈比亚按蚊复合群（An. gambiae、An. coluzzii和An. arabiensis）和An. funestus是主要传播媒介。虽然这些物种在8000万年前已分化，但均进化出相似的抗性机制，如细胞色素P450（CYP6家族）和表皮增厚等。然而，靶位点突变（如kdr和Ace-1^R）在An. funestus中缺失，暗示存在未被揭示的抗性通路。

为系统解析抗性机制，研究人员开展跨物种多组学整合分析。研究纳入28个RNA测序数据集，覆盖11个非洲国家的15个An. coluzzii、3个An. gambiae、5个An. arabiensis和5个An. funestus抗性种群，通过DESeq2进行差异表达分析，并与Anopheles 1000基因组计划数据整合。开发Python工具包AnoExpress实现数据可视化，采用GENIE3算法构建基因调控网络。

基因表达与选择压力的逆向关联
研究发现高表达基因呈现更强的纯化选择信号，其非同义突变与同义突变比率（pN/pS）显著低于低表达基因，且核苷酸多样性（π）随表达水平升高而降低。这种模式在有效种群较大的An. gambiae和An. coluzzii中更为显著，符合选择效率与种群规模的正相关理论。

基因组物理聚类与抗性基因富集
基因表达在基因组中呈现物理聚类现象（平均相邻基因表达相关性Pearson's R=0.10，p=0.0002）。滑动窗口分析识别出CYP6P、CYP9K、CYP6M/Z和GSTD等已知抗性基因簇，以及多个高表达表皮蛋白（CP）基因簇。34个高表达基因（中位log₂FC>2）位于选择性清除区域（H12信号），显著富集于代谢解毒相关通路（p<0.0002）。

跨物种保守的抗性特征
65个基因（如CYP6P3、CYP9K1）在抗性种群中持续高表达（中位FC>6.8）。功能富集显示：

1. 解毒酶家族：18个P450（CYP6P3、CYP4H17等）、4个GST（GSTD3、GSTE2）和2个羧酸酯酶（COE）显著上调；
2. 表皮相关：20个CP基因（如CPLCG4、CPR150）表达升高；
3. 行为适应：味觉受体GR49（AGAP001169）和嗅觉受体（OR13/9）表达异常；
4. 氧化应激响应：转录因子Maf-S及其调控的CYP6M2、GSTMS1等构成核心网络。

新型调控通路的发现
基因调控网络预测Rootletin等转录因子与解毒基因（CYP6P3/4/5）的关联（p=0.00943），Su(H)参与氧化还原酶调控（p=9.19e-3）。神经 Lazarillo（AGAP009281）和 venom allergen等非经典抗性基因的异常表达，提示应激反应和唾液腺功能可能参与抗性形成。

研究结论与意义
该研究通过多组学整合揭示了按蚊抗药性的进化规律：高表达基因因功能约束受更强纯化选择，而杀虫剂压力驱动特定基因簇的适应性进化。尽管物种分化久远，An. gambiae复合群与An. funestus仍表现出代谢解毒（CYP6P3与CYP6P9a/b直系同源）、表皮修饰和行为适应的趋同机制。开发的AnoExpress工具包为抗性基因筛查提供标准化流程，鉴定出的CYP4H17等新靶点为抗性监测和新型杀虫剂设计指明方向。研究强调需针对不同媒介物种设计差异化防控策略，以应对非洲疟疾控制的严峻挑战。论文发表于《Communications Biology》，为理解昆虫抗性进化提供了范式转移级的见解。