人疥螨的全基因组宿主相关群体结构：全健康意义

《Science in One Health》：Genome-wide host-associated population structure of Sarcoptes scabiei: One Health implications

　　

背景：由人疥螨（Sarcoptes scabiei）引起的疥疮（scabies）在任何时候都影响超过两亿人，并可能因严重的继发性细菌感染而复杂化。同一种螨虫还会导致伴侣动物、家畜和野生动物的兽疥癣（sarcoptic mange）。目前，涵盖不同宿主和地理区域的群体规模核基因组数据仍然有限。

方法：研究人员（researchers）为106份人疥螨样本生成了全基因组测序数据，并整合了19个来自人类、伴侣动物、家畜和野生动物的公开数据集。经过质量过滤后，保留了125个样本级数据集中的83个。研究人员评估了 ancestries（祖源成分）、系统发育关系、核苷酸多样性、遗传分化、基因水平变异和候选选择信号。

结果：研究人员（researchers）鉴定了1，568，031个通过过滤的核变异位点，包括698，136个单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms，SNPs）；样本水平的杂合度估计值范围为0.27%至11%。ADMIXTURE、主成分分析和系统发育分析支持七个与宿主关联群组大致对应的祖源簇，两两之间的固定指数（fixation index，FST）估计值范围为0.22至0.92。多指标分析鉴定出1，600个候选选择区块——8个硬扫荡（hard-sweep）、486个软扫荡（soft-sweep）和1，106个古老适应（ancient-adaptation）区块——以及6个保守的低多样性区块。可变基因在DNA修复、细胞粘附和信号传导方面表现出名义上的富集，而不变基因在核糖体功能、氧化磷酸化和线粒体过程方面表现出名义上的富集。

结论：这项扩展的多宿主分析加强并扩展了宿主关联是S. scabiei全基因组群体结构显著相关因素的证据。这些发现为未来按宿主分层的全健康（One Health）监测以及疥疮和兽疥癣的传播、适应和杀螨剂抗性研究提供了群体基因组资源。

论文解读：人疥螨的全基因组宿主相关群体结构及其全健康意义

研究背景与存在问题

疥疮是一种由人疥螨（Sarcoptes scabiei）引起的传染性寄生性皮肤病，全球范围内任何时候都有超过两亿人受影响，尤其在资源匮乏和弱势群体社区中尤为普遍。疥疮的临床表现源于螨虫对表皮的侵染，包括剧烈瘙痒、丘疹样皮疹，严重时可出现结痂性病变。这些病变常继发化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）和/或金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）感染，进而可能发展为脓毒症、急性链球菌感染后肾小球肾炎和风湿性心脏病等危及生命的后果。因此，疥疮的疾病负担远超皮肤病变本身，在流行社区中造成了显著的发病率和死亡率。治疗和控制进一步受到药物成本、杀螨剂有限可及性以及资源贫乏地区大规模给药的后勤挑战的制约。世界卫生组织已将疥疮纳入其2021–2030年被忽视热带病路线图。此外，同一种螨虫还导致伴侣动物、家畜和野生动物的兽疥癣（sarcoptic mange），对狐狸、袋熊和有蹄类等野生物种的疫情暴发与种群数量显著下降乃至局部灭绝相关，对家畜生产力和动物福利也有负面影响，并存在从犬向人类传播的人畜共患潜力。这些因素共同凸显了该寄生虫在全健康（One Health）框架下的重要性。

然而，尽管S. scabiei分布广泛且疾病负担沉重，其生物学、流行病学和宿主-寄生虫相互作用的许多方面仍认知不足。历史上，该螨虫的遗传研究主要依赖线粒体DNA和微卫星标记，这些早期研究虽提供了一些宿主相关聚集的证据，并提示存在独立的传播循环，但受限于标记分辨率，无法确定宿主相关群体间的基因流程度、评估跨物种传播证据、刻画全基因组范围内的分化或鉴定受选择影响的基因组区域。近年来，高质量核基因组参考序列的发表及比较基因组和群体基因组研究为深入理解该寄生虫的进化生物学和宿主适应提供了基础，但涵盖多种宿主和地理区域的群体规模核基因组分析仍然有限。

研究内容与结论概述

为填补上述空白，研究人员在Xu等人先前四宿主比较研究基础上，对来自人类、伴侣动物、家畜和多种野生动物宿主的83个经过质量过滤的全基因组数据集进行了整合分析，采用综合群体基因组学框架，刻画了全基因组变异、宿主和地理相关的群体结构以及选择和进化约束的信号。该项扩展的多宿主分析为研究S. scabiei群体间的变异提供了基础，并为未来按宿主分层的疥疮和兽疥癣全健康监测提供信息。该研究发表于《Science in One Health》期刊。

主要关键技术方法

研究人员对106份S. scabiei样本（来源包括人类、猫、犬、猪、兔以及欧亚猞猁、喜马拉雅斑羚、原驼、伊比利亚北山羊、伊比利亚猞猁、羊驼、小羊驼、野猪和野兔等野生动物）进行了全基因组测序，并整合了19个公开数据集，总计125个样本级数据集。DNA提取采用QIAamp DNA Micro Kit（Qiagen），文库构建后使用DNBGSEQ平台（BGI，深圳）进行150 bp双端测序。原始数据经SOAPnuke过滤后，使用Escalibur流程（整合BWA-MEM和Picard）比对至S. scabiei参考基因组，并去除宿主来源序列。变异使用GATK v4.1.3.0的HaplotypeCaller检测，经严格质量过滤（QD、链偏倚等）后保留变异位点和不变位点。群体结构分析采用ADMIXTURE、主成分分析（PCA）和基于BEAST2的系统发育推断；多样性和分化统计（π、θW、Tajima's D、FST、DXY）使用pixy在50-kb窗口计算；选择性清除分析采用分层窗口方法和标准化对比分数（Welch's Z-score）；基因水平π估计基于注释蛋白质编码基因计算。池化样本变异采用SNVer交叉验证。功能富集通过KEGG通路和BRITE层级分析。

研究结果分述

1. 基因组测序与全基因组变异

对106份样本的测序产生了每个数据集387 Mb至50.6 Gb的高质量双端数据。质量过滤后，83个保留数据集的唯一比对读段数为203万至9695万，平均基因组深度为4.85×至182×。共鉴定出1，826，473个通过过滤的基因组记录，包括1，568，031个变异记录（698，136个SNP、749，092个插入缺失、2，236个多核苷酸多态性和118，567个复杂变异）以及258，442个不变记录。样本水平杂合度范围为0.27%至11%。此外，46，545个簇特异性变异记录显示高等位基因频率差异（ΔAF > 0.8）。

2. 宿主相关的群体结构与敏感性分析

ADMIXTURE分析鉴定出七个与宿主关联群组大致对应的祖源簇（K1-K7），表明遗传结构与宿主关联性比地理分布更紧密。K1对应人类和猪（人科/猪科），K2对应野生羊亚科（牛科），K3对应家兔（兔科），K4对应猞猁（猫科），K5对应野兔（兔科），K6对应猫和犬（猫科/犬科），K7对应原驼、羊驼和小羊驼（骆驼科）。全基因组核苷酸多样性（π）在K1（0.1945）和K6（0.1537）中最高，在K4（0.0126）和K5（0.0225）中最低。PCA前两个主成分解释了43%的遗传变异，系统发育分析显示样本按宿主关联聚类。敏感性分析排除池化样本后，宿主相关的总体模式保持不变。

3. 基因水平变异鉴定保守和高度可变的基因功能集

在约9，200–9，300个预测蛋白质编码基因中，5，548个编码序列（CDS）和5，264个含内含子的基因模型通过覆盖度标准并排除多拷贝基因后得以保留。CDS和基因模型的上、下十分位数各含554个和526个基因。包含内含子区域后整体多样性高于仅CDS。功能注释显示，可变基因与DNA修复、细胞粘附和信号传导相关，而不变基因与核糖体功能、氧化磷酸化和线粒体过程相关。

4. 宿主相关群体间的遗传分化

成对FST估计值范围为0.22至0.92，最高值见于猞猁相关（K4）和野兔相关（K5）群体之间，最低值见于人类/猪相关K1簇和猫/犬相关K6簇之间。家兔相关（K3）与野兔相关（K5）群体间也显示出高度分化（FST ≈ 0.90）。

5. 全基因组候选选择信号及候选基因分布

选择分析鉴定出1，600个候选选择区块，包括8个候选硬扫荡、486个候选软扫荡和1，106个候选古老适应区块，另有6个保守低多样性区块。这些区块包含46，545个ΔAF > 0.8的簇特异性变异记录。候选与保守区块重叠了3，742个独特蛋白质编码基因。其中780个基因-簇记录被归类为Tier 1高优先级候选基因，157个变异记录满足预定义的高置信度标准。代表性Tier 1候选基因包括T-box转录因子（evm.model.Hic_asm_7.614.1）、含Arfaptin同源/Bin/Amphiphysin/Rvs结构域的蛋白（evm.model.Hic_asm_0.929）、含硫胺素二磷酸结合折叠的蛋白（evm.model.Hic_asm_0.164）和G2/M期特异性细胞周期蛋白B1（evm.model.Hic_asm_1.289）。

讨论与结论

本研究通过对S. scabiei的大规模多宿主全基因组分析，证实宿主关联是所采样群体遗传结构的显著相关因素。七个祖源簇与宿主关联群组对应，FST值范围0.22至0.92，加强并扩展了先前基于线粒体和微卫星研究以及Xu等人染色体尺度发现的证据。核苷酸多样性在各簇间差异显著，反映了群体历史、连通性、奠基者效应、宿主相关隔离和地理采样广度等潜在影响因素。研究还发现家兔与野兔来源螨虫的高度分化，以及家猪与野猪来源螨虫的紧密聚类，可能分别反映了宿主驯化历史和遗传背景的差异。本研究所鉴定的1，600个候选选择区块及157个高置信度变异，以及功能基因集中DNA修复、细胞粘附与信号传导（可变基因）和核糖体功能、氧化磷酸化与线粒体过程（不变基因）的差异性富集，为后续功能验证和宿主适应机制研究提供了候选靶标。

研究结论部分（翻译）：全基因组分析加强并扩展了S. scabiei存在强宿主相关群体结构的证据，并鉴定出所采样群体间多样性、分化和候选选择信号的异质性模式。这些发现为研究该寄生虫的进化和流行病学提供了群体基因组学基础，并为未来按宿主分层的疥疮和兽疥癣全健康监测提供信息。