塞内加尔南部疟疾流行人群中的疟疾相关宿主遗传变异研究

《International Journal of Molecular Sciences》：Malaria-Related Host Genetic Variation in an Endemic Population of Southern Senegal

　　

宿主遗传变异是疟疾易感性的关键决定因素，尤其是在传播强度高、对红细胞相关基因产生强烈选择压力的流行地区。然而，塞内加尔及其他非洲人群在基因组研究中仍代表性不足，限制了对特定人群的推断。研究人员分析了来自塞内加尔南部和东南部140名发热患者的疟疾相关宿主遗传变异，重点关注关键位点（ACKR1、Dantu血型、HBB和G6PD）以及复合多位点基因型谱（Multilocus Genotype Profiles，MGPs）。研究人员描述了个体内变异的共现情况，从而对组合遗传结构进行探索性评估。研究鉴定了多种已确立的疟疾保护性变异，包括在所有个体中观察到的Duffy阴性Fy(a–b–)表型、G6PD关键变异（如G202A等位基因频率约3%、A376G约40%、T968C约1%）以及HBB变异（HbS约7%、HbC约1%），此外还发现了一些罕见且特征不明确的多态性。据研究人员所知，该研究首次在塞内加尔人群中描述了Dantu变异（rs186873296）和罕见的ACKR1 rs577808287变异，每种变异分别在2个不同个体中观察到。在四个位点上，有五种主要的复合MGPs占主导地位，合计占个体总数的75%以上。排除Duffy状态后，这些谱型中的大多数至少包含一个文献中已报道的疟疾保护性变异，这一模式与疟疾驱动的平衡选择假说一致，尽管存在潜在有害等位基因。该研究凸显了塞内加尔疟疾相关宿主基因的显著遗传异质性，并证明了将复合遗传结构整合到疟疾研究中的价值。这些发现提供了特定人群的数据，对于改善流行地区的疟疾风险评估、临床解释和公共卫生策略至关重要。此外，某些变异相对较高的频率可能反映了平衡选择，部分可能由暴露于疟疾人群中所获得的适应性益处所驱动。

论文解读：塞内加尔南部疟疾流行人群的宿主遗传变异研究

一、研究背景与意义

疟疾是由疟原虫（Plasmodium）属寄生虫引起、经感染蚊虫叮咬传播的致命性疾病。2024年全球估计有2.82亿病例和61万死亡，其中撒哈拉以南非洲的儿童承担了不成比例的疾病负担。疟疾一直是作用于人类基因组的最强选择压力之一，特别是在长期维持高强度传播的撒哈拉以南非洲地区。宿主遗传因素约占疟疾发病率和严重程度变异的四分之一，人类遗传变异在塑造感染易感性、疾病严重程度和临床结局方面发挥着重要作用。这种选择压力促进了多种保护性遗传变异的出现和维持，其中大多数影响红细胞生物学和宿主-寄生虫相互作用。

经典的疟疾相关适应包括血红蛋白病、镰状细胞多态性（HbS）、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺乏症（如A^?）以及主要红细胞血型多态性，如Duffy阴性表型。这些变异体现了平衡选择的范式，即赋予严重疟疾保护作用的等位基因尽管在特定遗传或临床背景下可能产生潜在有害效应，仍在人群中得以维持。近年来，改进的基因组学方法已能够识别额外的保护性变异，包括Dantu血型变异以及参与红细胞膜动力学和免疫调节的基因多态性。然而，这些已知变异仅能解释疟疾易感性可遗传组分的一小部分，凸显了其复杂和多基因的架构。

尽管宿主遗传学在疟疾中的作用已有广泛证据，但基因组研究仍严重偏向欧洲血统人群，而拥有最大人类遗传多样性的非洲人群代表性明显不足。在非洲内部，大多数疟疾宿主遗传研究集中在东非，而西非尤其是塞内加尔仍相对缺乏探索。这种有限的代表性限制了对疟疾相关变异的人群特异性解释，并阻碍了由不同流行病学和进化背景塑造的局部相关遗传组合的识别，特别是因为疟疾易感性可能不仅受单个变异影响，还受多种共现宿主遗传因素的组合效应影响。

宿主遗传数据的缺乏具有重要的临床和公共卫生意义。多种疟疾保护性变异不仅影响疾病易感性，还影响治疗安全性和药物反应。例如，G6PD缺乏症对严重疟疾具有部分保护作用，但会增加接触某些抗疟药物或氧化应激源后发生溶血的風險。因此，在流行环境中考虑人群特异性遗传多样性对于优化疟疾病例管理、药物政策和消除策略至关重要。

在塞内加尔，疟疾仍是重大公共卫生负担，恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）持续传播，且非恶性疟原虫物种在东部和南部地区日益受到关注。虽然流行病学和寄生虫学监测有所改善，但人类遗传多样性对疟疾易感性、临床表现和治疗反应的贡献很少被整合到控制策略中。现有研究已记录了关键HBB和G6PD变异的存在及其与疟疾严重程度和血液学参数的关联，但这些研究通常关注单个多态性而非其组合遗传背景。因此，探索疟疾相关变异的共现情况可能为流行人群中长期疟疾暴露塑造的复合遗传结构提供额外见解。

该研究发表在《International Journal of Molecular Sciences》上，旨在调查塞内加尔南部和东南部（一个以高疟疾传播和多种疟原虫物种循环为特征的地区）发热患者中疟疾相关的宿主遗传变异。通过分析参与红细胞生物学的关键基因，包括ACKR1、Dantu血型、G6PD和HBB，并同时检查单个变异及其作为复合多位点基因型谱（MGPs）的共现情况，该研究旨在从代表性不足的环境中生成人群特异性遗传数据，并探索复合遗传结构如何反映疟疾驱动的平衡选择。

二、主要技术方法

该研究采用靶向长读长测序方法，对2020年至2022年间在塞内加尔南部和东南部招募的140名发热患者进行了四个疟疾相关位点的宿主遗传变异表征。样本来源于Kédougou、Tambacounda以及Kolda和Ziguinchor南部地区。基因组DNA使用QIAamp DNA Blood Mini Kit从约200μL冷冻全血中提取。针对HBB、ACKR1、G6PD和Dantu血型位点设计了引物组，扩增包含医学相关多态性的基因组区域，扩增子长度约400至600碱基对。扩增产物纯化后使用Oxford Nanopore Technologies连接测序扩增子方案和Native Barcoding Kit 96制备文库，在ONT平台（MinION Mk1B，R10.4.1流动池）上测序24小时。使用Dorado（版本0.7.3）进行碱基识别、解复用和初步质量控制。序列比对至人类参考基因组（GRCh38），使用FreeBayes进行变异调用，最小覆盖度阈值30x，最小碱基质量分数30，随后使用bcftools进行标准化和过滤。功能注释使用bcftools csq和SnpSift针对ClinVar参考数据库进行。统计分析使用R（版本4.3.2）进行，包括等位基因和基因型频率估计、遗传多样性表征（观测杂合度H_O、期望杂合度H_E、近交系数F_IS）、遗传分化评估（固定指数F_ST）、连锁不平衡分析以及等位基因频率与非洲参考人群的比较。

三、研究结果

3.1 研究人群人口统计学特征

140名发热患者中，25.71%于2020年采样，44.29%于2021年采样，30%于2022年采样。22.14%的样本来自Kédougou，61.43%来自Tambacounda，约16.42%来自Kolda和Ziguinchor南部地区（因样本量有限合并为一个地理类别）。性别分布均衡，男女比例接近1（69/70=0.99）。年龄分层显示以年轻人为主，超过55%的参与者年龄在20岁以下，约32%年龄在20至44岁之间，仅10%年龄在45岁及以上。

3.2 遗传多态性与多样性

在四个分析位点中共鉴定出12个遗传变异，包括G6PD中的5个变异（G202A rs1050828、A376G rs1050829、T968C rs76723693、rs5986875和rs917134021）、HBB中的4个变异（HbS rs334、HbC rs33930165、rs713040和rs72561473）、ACKR1中的2个变异（rs2814778和rs577808287）以及Dantu变异（rs186873296）。ACKR1 rs2814778为单态性，所有个体均携带Fy(a–b–)基因型。其他位点均为多态性，但大多数变异频率较低（<5%）。显著例外包括G6PD A376G等位基因频率约40%、HBB rs713040频率约10%、HbS等位基因频率接近7%。值得注意的是，有一人患有镰状细胞病（HbS，SS基因型）。研究人群整体遗传多样性较低（杂合度约5%），地理区域间无遗传分化证据（Fst值接近零），分析位点间未检测到显著连锁不平衡。

3.3 医学相关变异的等位基因和基因型频率及与非洲参考人群的比较

与非洲参考人群的比较显示多个位点存在显著差异。G6PD rs1050829（A376G）等位基因在塞内加尔（0.384）比非洲参考人群（0.294±0.043）更常见，rs917134021变异在塞内加尔以低频率（<0.05）检出但在非洲参考数据集中缺失。相反，G6PD rs1050828（G202A）等位基因在塞内加尔（0.027）低于非洲参考估计值（0.124±0.003）。这些差异具有统计学显著性，表明塞内加尔多个医学相关位点的等位基因频率分布偏离大规模非洲基因组研究报告的结果。

3.4 变异的空间和年龄分层分布

地理分布分析显示几个罕见变异具有地域限制性。HBB rs72561473（与β-地中海贫血相关的突变）仅在东南部地区检出，4名携带者（3名在Tambacounda，1名在Kédougou）。Dantu变异（rs186873296）和ACKR1 rs577808287仅在Ziguinchor的2个样本中各观察到。年龄分层分析显示HBB rs72561473和G6PD rs1050829的频率随年龄组下降，而G6PD rs1050828呈逐渐增加趋势，提示等位基因频率存在年龄依赖性差异。

3.5 多位点基因型谱（MGPs）的分布

基于G6PD单倍型分析，男性（半合子）中B变异频率约73.5%，A变异频率26.5%。女性中B频率57.3%，A频率37.1%，A^?变异（与溶血性贫血高风险相关）频率5.6%。研究人群中共有24种特征明确的MGPs，其中五种占所有观察组合的75%以上，包括MH29（约29%）、MH30（约24%）、MH8（约9%）、MH20（约8%）和MH26（约7%）。MH29和MH30在所有年龄组和地理区域均有检出，MH20在南部地区缺失，MH08和MH26未在45岁及以上个体中观察到。排除rs2814778后，这五种最常见的MGPs以HBB和G6PD位点的不同变异组合为特征：MH29为rs713040纯合（GG）结合G6PD rs1050829杂合；MH30为rs713040纯合（GG）且分析位点无其他变异；MH8为rs713040纯合（GG）结合HbA/HbS（rs334，AS）基因型；MH20为rs713040杂合（AG）；MH26为rs713040纯合（GG）结合G6PD rs1050829纯合。

四、讨论与结论

该研究检测到多种文献中已报道与疟疾易感性和抗性相关的临床相关宿主遗传变异，包括可能在塞内加尔乃至西非首次报道的变异。Dantu变异（rs186873296）在Ziguinchor的两名杂合个体（约1%）中被鉴定，这是该变异在塞内加尔的首次描述。Dantu此前已被证明通过改变红细胞生物力学和限制寄生虫入侵对严重恶性疟疾提供强保护作用。尽管其在肯尼亚人群中的频率可达9.5%，但在东非以外通常缺失或极为罕见。其在该队列中的检出凸显了非洲疟疾抗性变异显著的空间异质性，提示先前被认为局限于东非的变异可能在西非人群中以极低频率存在，但由于当地基因组研究有限而记录不足。

在ACKR1位点，所有个体均携带Fy(a–b–)表型，该表型在撒哈拉以南非洲近乎固定，通过阻止寄生虫进入红细胞与间日疟原虫（P. vivax）感染抗性相关。在G6PD基因中，检测到三种经典编码变异——G202A、A376G和T968C——这些变异在非洲广泛记录，构成常见非洲G6PD A^?单倍型的核心，与酶活性降低及氧化应激下溶血性贫血风险增加相关。在HBB中，鉴定出HbS（约7%）和HbC（约1%）。HbS是非洲研究最广泛的人类多态性之一，由疟疾驱动的平衡选择维持：纯合导致镰状细胞病，杂合携带者对严重疟疾具有显著保护作用。HbC主要局限于西非，也与严重疟疾保护相关。

研究还鉴定了一些功能意义不确定的罕见变异，包括ACKR1 rs577808287、G6PD内含子变异rs5986875和rs917134021以及HBB变异rs713040和rs72561473。HBB rs713040与良性β-地中海贫血和胎儿血红蛋白遗传性持续存在（HPFH）相关，而β-地中海贫血相关表型已被广泛描述为对疟疾具有保护作用。

除单个变异分析外，该研究提供了疟疾相关突变在个体内共现的综合视图。除普遍存在的Duffy阴性表型外，主要MGPs（MH29、MH30、MH8、MH20和MH26）合计约占76%的个体，均携带至少一个具有文献记载或推测的疟疾保护作用的变异，包括良性β-地中海贫血形式、HbA/HbS基因型或G6PD A376G变异。尽管其中一些变异传统上与潜在有害临床效应相关，但其不利影响在流行环境中常被遗传背景、环境暴露和临床背景所减弱。在高强度疟疾压力下，这些变异赋予的生存优势可能大大超过其生物学成本。这些复合遗传结构的高流行率和持续存在与平衡选择下的预期模式一致，可能反映了感染压力、宿主适应和临床风险之间的进化权衡。

该研究存在一些局限性：主要是在疟疾流行地区塞内加尔人群中疟疾相关宿主遗传变异的描述性和探索性表征，而非直接遗传关联研究；总体样本量和各地理区域个体数适中，特别是在南部地区，限制了检测区域或年龄组间等位基因频率或遗传多样性细微差异的统计功效；研究人群由就诊于卫生机构的发热患者组成，可能不完全反映一般人群的遗传组成；变异调用虽遵循适用于高通量扩增子测序的严格质控程序，但未设计常规正交验证；未评估杂合女性中的X染色体失活（莱昂化）。尽管如此，该研究为疟疾负担高、恶性疟原虫和非恶性疟原虫物种共循环的塞内加尔南部和东南部地区提供了及时的疟疾相关人类变异遗传景观见解。在非洲大规模人类基因组学研究面临技术和基础设施障碍的背景下，即使是中等规模、特征明确的数据集也能为填补关键知识空白和改善非洲人群在人类遗传研究中的代表性做出有意义的贡献。

研究结论指出，该研究以发热患者为对象，针对疟疾流行环境中具有直接流行病学相关性的群体，这些个体可能接受疟疾诊断、治疗和抗疟药物暴露。因此，观察到的临床相关宿主遗传变异（特别是影响红细胞生物学和药物耐受性的变异，如G6PD缺乏相关变异）的频率和组合对公共卫生和临床决策具有直接影响。该研究记录了塞内加尔南部和东南部多种文献已报道的疟疾相关变异的存在、分布和共现情况，这些地区在大型非洲基因组参考数据集中仍代表性不足。研究鉴定了已确立的保护性变异和特征不明确的多态性，包括Dantu变异（rs186873296）、罕见的ACKR1变异（rs577808287）以及一些功能后果尚不清楚的HBB和G6PD突变。这些发现为未来基于人群的、纵向的和药物基因组学研究奠定了基础，并强调需要将宿主遗传多样性整合到流行地区的疟疾控制策略、风险评估和抗疟药物政策规划中。