重分析光滑双脐螺（Biomphalaria glabrata）既往GWAS数据揭示曼氏血吸虫（Schistosoma mansoni）抗性相关新区域LG5R与LG11L

《PLOS Pathogens》：The growing repertoire of putative pathogen interaction genes in the Biomphalaria glabrata vs Schistosoma mansoni system

　　

血吸虫病（schistosomiasis）是由血吸虫属（Schistosoma）吸虫引起的一种主要被忽视热带病（neglected tropical disease, NTD）。人类因接触含有从淡水螺（freshwater snails）中间宿主（intermediate hosts）逸出血吸虫尾蚴的水体而感染。螺控制（snail control）可有效降低传播（transmission），但成本较高且存在生态问题。因此，理解螺对血吸虫感染抗性（resistance）变异背后的遗传机制受到广泛关注，目标是在螺阶段利用这些信息减少传播。光滑双脐螺（Biomphalaria glabrata）是新大陆（New World）曼氏血吸虫（Schistosoma mansoni）传播的重要宿主螺。研究人员重新分析了一个较早的全基因组关联研究（genome-wide association study, GWAS）数据集，该数据集来自接受曼氏血吸虫攻击的光滑双脐螺。研究人员识别出两个新的与感染抗性相关的关联区域，命名为LG5R和LG11L。LG11L含有一簇编码多种分泌型凝集素（secreted lectins）的基因，可能参与某种识别。LG5R含有一簇看似膜结合受体（membrane-bound receptors）的基因。这些基因与近期一项对非洲螺B. sudanica接受曼氏血吸虫攻击的GWAS在相邻基因组区域鉴定的基因非常相似。单次跨膜蛋白（single-pass transmembrane proteins）基因簇也表征了先前在光滑双脐螺中描述的另外两个与曼氏血吸虫抗性相关的关联区域（PTC1/GRC和PTC2区域）。研究人员假设这些基因簇编码的蛋白参与某种匹配多态性（matching polymorphism），这可能解释光滑双脐螺-曼氏血吸虫系统中普遍存在的寄生虫种群×螺种群兼容性（compatibility）交互。研究人员结合当前双脐螺属（Biomphalaria sp.）全基因组定位研究领域状况讨论结果，并讨论迄今发现的哪些类型位点（loci）可能是减少自然种群传播的最佳靶点。

研究背景与问题：血吸虫病是由血吸虫属吸虫引起的被忽视热带病，传播依赖水生螺中间宿主；无有效疫苗，治疗主要依赖吡喹酮，而单纯大规模给药难以消除疾病并可能选择耐药；灭螺或栖息地改造虽可降低传播，但常不切实际且经济、生态代价高。因此，遗传改造螺种群以降低其传播能力是可行思路，但前提是理解抗性遗传结构、关键基因功能及其自然种群变异和适合度效应。已有全基因组扫描和候选基因研究在两种螺中识别至少九个影响血吸虫抗性的基因组区域，但仅Cu-Zn sod1和grctm6等少数区域有功能证据；许多关联峰高度变异并富集膜结合受体基因簇，不同螺-虫种群组合发现不同区域，提示匹配等位或基因对基因互作。该研究重分析Tennessen et al.的旧混合测序（pool-seq）GWAS数据，以更好基因组寻找漏检峰、解析染色体11上RADres是否为大连锁不平衡块，并重新注释PTC1/GRC和PTC2，进而提出LG5R和LG11L两个新抗性关联区及其候选识别基因，讨论用于阻断传播的潜在靶点。

主要技术方法：研究人员重分析Tennessen et al.的pool-seq GWAS数据；样本为1316R种群光滑双脐螺（与NIH M-line相关，长期保存于Oregon State University）600只感染与600只未感染个体，感染用PR1种群曼氏血吸虫。将Illumina reads重比对至Zhong et al.的iM_Zhong染色体级参考并行滑窗F_ST分析，并用PCR和二元逻辑回归在430只独立挑战螺及原GWAS个体中验证。对1316R近交系i68、i90、i171及新增i36b、i46进行PacBio组装，结合RagTag支架、Liftoff注释、InterProScan结构域、TMHMM跨膜预测、dotplot、TM1基因密度及与B. sudanica SudRes1的互惠BLAST比较。

研究结果：1. Reanalysis of the 2020 GWAS data reveals two new peaks：通过将旧Illumina reads重比对至iM_Zhong并行滑窗F_ST，发现既往分析未显现的LG5R和LG11L两个新峰；RADres和SOD峰过宽覆盖大部分染色体，故重点分析两个新区域。2. Region of association LG5R：通过F_ST定位、PCR和逻辑回归，发现5号染色体强峰最高窗口平均F_ST约0.05；该峰因旧组装未分配contig而漏检，距Zhang et al.的BgSRR1峰超过2.5 Mb且与SudRes1不同；GWAS显示R等位部分显性，验证样本支持加性模型，SS感染几率约为RR的2.5倍。3. Physical structure of the region and similarities among assemblies（LG5R）：通过PacBio组装、支架和dotplot，发现峰基底略小于2 Mb，i90、i171、i36b为S单倍型，i46、i68为R单倍型；S似iM_Zhong，R似BS90组装，峰内无重组点而侧翼有重组，并存在约120 kb非 homologous 区块。4. Genes within the LG5R region：通过注释转移、结构域和跨膜预测，发现峰下约47个基因模型，约半数为无结构域小片段；该区富集TM1基因，蛋白多有信号肽、Tie2配体结合域和跨膜α螺旋，部分含半乳糖结合/岩藻糖凝集素签名，被归为Potential Scavenger class F-like receptors并分5亚组。5. Reciprocal BLAST search against B. sudanica：通过互惠BLAST，发现LG5R与B. sudanica的SudRes1并非直系同源；三个互惠最佳命中不属于SudRes1，SudRes1位于更下游且在本GWAS中F_ST升高但未达显著阈值，也富集TM1。6. Variants between R and S haplotypes described within this region：以iM_Zhong为S参考进行变异预测，发现7,337个变异，231个中等影响、6个高影响；Gene Model 90（E3 ubiquitin-protein ligase SopA）在R有提前终止，Gene Model 104在R有缺失及跨膜域前提前终止，提示R单倍型可能无功能。7. Summary of LG5R：综合认为LG5R含多个可信候选，其TM1清道夫F类样受体与SudRes1结构相似但非直系；多数基因有功能改变替换，难仅凭变异缩小候选，Gene Models 72和104仅S存在，可能被寄生虫靶向。8. Region of association LG11L：通过染色体11的F_ST、PCR和逻辑回归，发现RADres之外上游尖锐LG11L峰，最高平均F_ST约0.05；中间峰因结构变异、低覆盖及混合对照高F_ST未判为真峰；GWAS示R等位部分显性，验证样本趋势不显著，加性模型OR=1.59。9. Physical structure of the region and similarities among assemblies（LG11L）：通过组装比较和dotplot，发现主峰约0.45 Mb，i36b、i46为S，i68、i90、i171为R；R与S分化明显，峰右缘存在重组热点和多断点。10. Genes within the region of association LG11L：通过基因注释，发现峰下约19个基因，2个片段、8个注释不确定；该区不富集TM1且结构多样，含PAN/Apple+C-lectin、apextrin样、分泌型C-lectin、fibrinogen-related、Ig域膜受体及Astacin metalloprotease等候选，分泌型凝集素多集中于左侧并呈“信号肽+间隔+凝集素结合域”结构。11. Variants described within this region：以Bg2024为S参考进行变异预测，发现14,307个变异，319个中等影响、5个高影响；Gene Model 52无已知功能，Gene Model 53为线粒体天冬氨酸/谷氨酸转运体且部分isoform受影响；Gene Model 44的26个非同义替换受可变剪接影响，其isoform具互斥末端外显子和不同C-lectin域，可能源于部分串联重复。12. Summary LG11L：综合认为LG11L含多个分泌型凝集素候选，末端结合域多样且无共同起源；峰邻近重组热点，基因成对排列提示小规模串联重复及近期基因丢失，结构不稳定可能促进进化。13. Re-annotation of PTC1/GRC and PTC2 genes：以同一方法重注释，发现两区均位于TM1基因局部富集处；PTC1/GRC基因可分含Fibronectin type 3域和极性氨基酸内在无序区两类，PTC2仅6个蛋白具“信号肽+IG-like域+TM域”结构，显示不同TM1受体类别。

讨论总结：重分析支持LG5R和LG11L为新的抗性关联区，R/S单倍型高度分化且多数编码基因存在可能改变蛋白功能的等位变异，但因果基因和突变尚未确定。作者强调LG5R的TM1、半乳糖结合/岩藻糖凝集素基因位于F_ST峰顶，且与PTC1/GRC、PTC2及SudRes1的TM1富集和识别功能线索相呼应；LG11L则为分泌型凝集素候选。既有定位研究在不同螺-虫种群组合中不重复同一区域，却反复发现病原相关分子模式/损伤相关分子模式（PAMP/DAMP）识别或细胞通讯基因簇，这与抗性/感染性的高遗传力及种群特异性兼容性相符，支持匹配等位或基因对基因互作假设，并扩展FREP-SmPoMuc模型；经典免疫基因未出现，可能因等位变异、所用种群组合或 immune component 差异。讨论还提出这些区域存在拷贝数变异、基因复制/丢失、重组和结构不稳定，可能促进多样化；高度多态识别位点用于基因驱动存在争议，研究者建议关注识别下游的基础效应机制（如sod1和biomphalysins）并采用足够大样本的定位研究。研究结论部分翻译：无论高度多态基因簇是否适合作为螺遗传操作的良好靶点，这些基因簇的发现可能已识别出螺免疫系统的基础组成部分。除基因驱动外，可能还有其他方式利用这些知识在螺阶段阻断传播，尤其是在寄生虫一侧的匹配分子被鉴定之后。