非洲疟疾媒介冈比亚按蚊funestus亚种的基因组多样性及其对杀虫剂抗性和基因驱动的启示

为应对非洲疟疾媒介冈比亚按蚊funestus亚种（An. funestus）在杀虫剂抗性演化与种群结构复杂性方面的知识空白，研究人员开展了大规模基因组测序研究。该研究对656只现代和45只历史标本进行全基因组测序，揭示了该物种稳定的大陆种群结构、新生态型的发现以及杀虫剂抗性等位基因的多重独立起源。研究结果为制定更精准的杀虫剂使用策略和基因驱动部署提供了关键科学依据，对推动疟疾消除具有重要意义。

　　

在非洲大陆，疟疾仍然是威胁公众健康的主要疾病之一，而按蚊作为疟原虫的传播媒介，其控制效果直接关系到疟疾的流行态势。在众多按蚊物种中，冈比亚按蚊funestus亚种（Anopheles funestus）因其高度 anthropophilic（嗜人血）、寿命长以及在许多地区极高的疟原虫感染率，成为非洲东部和南部的主要传播媒介。然而，与冈比亚按蚊复合体（Gambiae Complex）中的其他主要媒介物种相比，人们对An. funestus的遗传多样性、种群结构以及杀虫剂抗性的出现和传播机制了解甚少。这种知识的缺乏严重阻碍了针对该物种的有效 vector control（媒介控制）策略的制定和实施。自20世纪50年代大规模使用杀虫剂以来，An. funestus已在其分布范围内迅速演化出抗性，但抗性等位基因是多次独立演化、通过基因流在种群间共享，还是抗性种群完全取代了历史上的敏感种群，仍然是一个悬而未决的问题。此外，随着基因驱动（gene drive）技术在未来几年可能应用于媒介控制，迫切需要详细了解该物种在整个非洲大陆的种群连通性，以预测基因驱动在不同释放场景下的传播效果。

为了填补这一知识空白，由国际研究人员组成的团队开展了迄今为止对An. funestus最大规模的基因组学研究。他们完成了来自13个非洲国家、656只2014年至2018年收集的现代样本，以及45只1927年至1967年收集的历史标本的全基因组测序，旨在建立对该物种跨大陆基因组多样性的 foundational understanding（基础性认识）。该研究论文发表在《SCIENCE》杂志上，为针对An. funestus的更智能监测和靶向媒介控制奠定了基础。

研究人员为开展此研究，主要运用了以下几项关键技术：全基因组测序（Whole-genome sequencing）技术对样本进行约35x覆盖深度的测序；利用主成分分析（PCA）、固定指数（F_ST）和窗口化PCA等方法分析种群结构和基因组分化；通过Garud's H12统计量扫描基因组 selection signals（选择信号）；对已知的 insecticide resistance genes（杀虫剂抗性基因）进行变异分析；以及利用来自博物馆收藏的 historic samples（历史样本）进行时间尺度上的抗性等位基因追踪。样本队列来源包括非洲13个国家的野外采集样本和两个博物馆的馆藏标本。

样本获取、测序与遗传多样性

研究人员通过公开征集，获得了2014年以来收集的800多只野外捕获的An. funestus标本，最终有656只个体通过质量控制（QC）。测序读段与高质量的染色体参考基因组AfunGA1进行比对。使用静态 cutoff（sc）位点过滤器，在可访问位点中有45%是 segregating（ segregating（多态性）的）。全基因组 nucleotide diversity（核苷酸多样性）在每个地理队列中介于1.4%至1.7%之间，Equatorial（赤道）队列的个体和队列显示出更高的多样性。

种群结构与生态型

基于2L染色体臂（无已知常见染色体倒位）变异的PCA显示，PC1与纬度相关。研究人员根据PCA图中观察到的聚类定义了六个PCA队列，其中Equatorial队列包括来自加纳到肯尼亚、跨越4000公里的七个国家的样本，表明跨赤道非洲地区存在高度的遗传连通性。相比之下，北加纳（North Ghana）和南贝宁（South Benin）队列尽管地理上靠近Equatorial队列，但在遗传上截然不同，可能代表了新的 ecotypes（生态型）。与先前在布基纳法索定义的Folonzo和Kiribina生态型相比，北加纳和南贝宁显示出更大的遗传分化。

倒位

研究发现了五个大的 segregating inversions（ segregating（多态性）倒位）：2Ra、2Rh、3Ra、3Rb和3La。倒位频率在整个大陆差异很大，并且通过窗口化PCA探索了倒位内的局部结构。例如，对于3La倒位，倒位信号在中间衰减，这可能是由于其大尺寸或年龄导致的更频繁的双重组所致。研究还观察到3Rb和3La倒位中由双重组产生的个体，这些事件将等位基因从一种核型移动到另一种核型，对变异的传播非常重要。

选择信号

为了探索选择信号，研究人员计算了H12 statistic（H12统计量），该统计量测量了沿基因组的单倍型纯合性。他们确定了四个在至少两个地理队列中可能处于非常强选择下（H12 > 0.4）的区域，这些区域也以窗口化PCA中的峰值形式出现。所有这些H12峰值都以许多昆虫物种中重要的已知杀虫剂抗性基因为中心（Gste2、Gaba、Cyp6p和Cyp9k1）。研究发现，Gste2基因中的L119F（Leu¹¹⁹Phe）突变和Gaba基因中的rdl A296S（Ala²⁹⁶Ser）突变在多个种群中存在于不同的单倍型背景下，表明存在多次独立的选择性清除，而不是单个抗性突变传播的结果。

基因驱动

研究评估了An. funestus中基因驱动的潜在靶点。在参考基因组中，在编码序列内共识别出2,349,313个靶点。然而，在排除任何subset_2个体中存在变异的靶点后，仅剩下30,459个靶点。与冈比亚按蚊复合体相比，An. funestus中可用靶点的数量衰减模式相似。特别探讨了doublesex（dsx）基因驱动靶点区域，发现AfunGA1和AgamP4参考基因组在一个位点上存在差异，并且该位点在所有新测序的An. funestus中的两个个体中也存在一个单核苷酸多态性（SNP）。总体而言，这表明在An. funestus中使用与An. gambiae相同的种群抑制基因驱动方法是可行的。

讨论

研究表明，即使冈比亚按蚊复合体今天消失，在An. funestus得到有效靶向之前，疟疾仍将在非洲肆虐。本研究揭示的An. funestus高水平遗传多样性和复杂种群结构的更深入理解，将支撑更智能的监测和靶向媒介控制。Equatorial队列的采样点相隔超过4000公里，但这些种群是遗传连接的，而地理上近得多的种群，如南贝宁和北加纳，在遗传上却截然不同。这种可变的结构，加上物种的高遗传多样性，表明对An. funestus采取一刀切的媒介控制方法可能无效。

关于杀虫剂抗性的观察进一步强调需要考虑本地化的控制策略。研究发现了以已知杀虫剂抗性基因为中心的强选择性清除，其中相同的突变往往在多种昆虫中赋予抗性并受到选择。然而，这些共享的突变显然有时在多个不同的单倍型背景下独立发生，表明An. funestus种群可能不受突变限制。这种抗性机制的趋同进化突出了这些媒介种群的适应性，并强调需要采取考虑当地遗传背景和抗性谱的定制干预措施。

种群抑制或修饰基因驱动是杀虫剂控制的一种有前途的替代方案，研究在An. funestus中发现了与An. gambiae和An. coluzzii数量相当的候选基因驱动靶点。尽管在最有希望的靶点之一（dsx）上，跨整个物种范围的自然变异水平极低是令人鼓舞的，但An. funestus的基因驱动释放需要考虑本工作中观察到的该物种种群结构比先前认为的更为复杂。

对每种主要疟疾媒介物种内部和之间的基因流的全面理解，对于实施有效的疟疾控制至关重要，无论是通过基因驱动释放还是成功的杀虫剂使用和抗性管理。这项工作代表了为An. funestus建立基础性基因组理解的第一步，类似于非洲其他主要疟疾媒介物种可用的情况。种群基因组数据资源对于指导媒介控制越来越重要，需要为基础技术战略和全球卫生政策提供支持。