绦虫基因组学研究进展

李秀荣，闫鸿斌，李 立，付宝权,2，薄新文，朱兴全，贾万忠,2

绦虫属于三大类蠕虫之一，因其种类众多，生物学特性各异，分布广泛，对人和动物危害严重，数据表明，全球棘球蚴病和囊尾蚴病的负担为每年数以百万计的伤残调整生命年，给畜牧业带来巨大的经济损失[1]。由于缺乏有效的早期诊断方法和治疗药物，绦虫病容易被忽视，患病后通常难以治疗，而且是致命的。绦虫的生活史，除了个别寄生在人类和啮齿动物的绦虫可以不需要中间宿主外，寄生在家畜的绦虫，其发育需要1个或2个中间宿主，才能完成其整个生活史。因其特别的生活史，成为研究寄生虫生长发育、入侵、寄生、致病等机理的理想模式生物[2]。

随着分子生物学和生物信息学的日臻完善，人类、动植物和微生物的基因组研究得以迅猛发展。近年来，寄生虫的基因组计划也引起了寄生虫学家的极大兴趣。通过寄生虫基因组计划，将会帮助科学家对生物学中的寄生现象有一个更加全面的理解，同时为人类的健康和经济的发展提供保障。

1 绦虫基因组测序现状

绦虫的基因组包括核基因组和线粒体基因组，本文提及的基因组指前者。自2004年起，开始了绦虫全基因组的测序工作，包括多房棘球绦虫、细粒棘球绦虫(G1)、加拿大棘球绦虫(G7)、微口膜壳绦虫、猪带绦虫、牛带绦虫、亚洲带绦虫等基因组序列测定的完成并进行了公开发表，肥头带绦虫基因组序列的汇编和注解正在进行中，还有其他一些绦虫基因组序列测定正在进行中(表1)。随着棘球绦虫基因组的接近完成，以及绦虫基因组的进一步完善，研究人员开始探索它们的全部内容、结构和一般特征[3]。这将有助于解决一些基础性问题：1)物种的起源和进化；2)绦虫宿主特异性和组织特异性及其变化的分子基础和机制；3)绦虫致病机制；4)绦虫逃避宿主免疫应答的机制；5)绦虫生活史过程中为适应宿主在不同分化阶段控制其基因表达的信号调控机制；6)疾病预防和诊断的抗原谱或者分子遗传标记的筛选；7)新药物设计时绦虫与宿主代谢途径上的异同分析和药物靶标筛选。

表1 已完成基因组测序的绦虫种类及相关信息[4-9]

2 绦虫基因组特征

目前已经测序的绦虫中除微口膜壳绦虫染色体数目为2N=12外，其余绦虫染色体数目均为2N=18[9]，基因组大小多为115～170 Mb(见表2)，比秀丽隐杆线虫基因组(约100 Mb)稍大[11]，是曼氏血吸虫基因组(约380 Mb)的1/3。绦虫为了适应寄生生活，其基因组也发生了适应性进化，基因组中重复序列少，但欧猥迭宫绦虫等例外[5,10]。不同绦虫基因组之间GC碱基含量差异明显，从表2可以看出，其他绦虫的GC含量都在43%左右，显著高于微口膜壳绦虫。通过鉴定多房棘球绦虫全基因组可知，共有308个潜在多顺反子，多顺反子中基因的排列次序在绦虫之间、绦虫和吸虫之间较为相似[12]。在营寄生生活的扁形动物中，持家基因的数目大幅减少，绦虫是持家基因丢失最多的一类物种，其特异性缺失基因中有一些是参与神经发育的基因家族，也丧失了一些参与消化道形成的ParaHox基因和参与发育的Wnt补充物[13]。在绦虫基因组也有扩充，主要扩充基因家族为热休克蛋白70(Hsp70)家族。棘球绦虫和猪带绦虫细胞质Hsp70进化枝的基因扩充数目最多，总拷贝数分别达到22和32个，而人只有2个和6个Hsp70基因。绦虫Hsp70缺乏典型细胞质Hsp70特征，例如不含EEVD基序和GGMP重复单元，同时表达水平很低，几乎不表达，而典型细胞质Hsp70在不同的生活史阶段呈组成性表达，这些基因家族与绦虫的营养吸收、宿主环境适应等机制相关[5]。绦虫有一新的Argonaut亚家族蛋白，它可能结合一个新发现潜在小RNA前体分子，有研究发现棘球绦虫Ago蛋白位于Piwi结构域“DEDH”中[14]，这对于该蛋白在靶mRNA上的剪切活性至关重要。

表2 7种重要带科绦虫基因组总体特征

3 表观基因组学研究

表观基因组学是利用全基因组测量来表征真核生物的染色质状态和DNA修饰，主要使用DNA微阵列或深度测序方法对核酸群体(无论是DNA还是RNA)进行全面分析[15]。绦虫具有传递表观遗传信息的第二遗传系统，与DNA链中核苷酸碱基序列的遗传并行。表观遗传至少基于4种信息载体：通过胞嘧啶甲基化介导的DNA的化学修饰，组蛋白和其他染色质蛋白的修饰，非编码RNA和基因在细胞核中的相对位置[16]。表观遗传信息具有相对可塑性，并且可以直接受环境刺激的影响[17]，表型可以由基因型和表观基因型共同编码。表观基因型可以通过环境的变化而改变，环境既是表型改变的有道因子，也是选择因子[18]。从理论上讲，拥有双重遗传系统的物种进化速度快于只具有基因型遗传能力的物种。许多寄生虫能够利用双重遗传系统，从相同的基因型种群中呈现多种表型变异[19]。测序(ChIP-Seq)后的DNA甲基化和染色质免疫共沉淀，通过表观遗传基因的定位解读基因活性和表达以及染色质状态。寄生虫的表观遗传学研究大多与疟疾和血吸虫病有关，只有少数与肠道寄生虫有关。在旋毛虫中，鉴定出甲基化DNA，以及DNA甲基转移酶或其编码基因的存在[20]。此外，在蠕虫诱导的免疫抑制中证实了表观遗传宿主过程的调节[21]。绦虫未来表观基因学的研究将为人们更好地提供环境信号与寄生虫传感器和执行分子之间的可能联系，它们决定不同的寄生虫发育和毒力编程[22]，这些结果将为我们提供疾病干预的潜在机会。

4 绦虫miRNA研究

小RNA(micro RNA)是一类参与调节寄生虫生长发育、寄生虫感染和免疫以及宿主-病原体相互作用的调节性非编码RNA。采用测序方法，在猪带绦虫后绦幼虫鉴定出47个保守的miRNA和4个新的miRNA。miRNA的核苷酸偏倚分析显示腺嘌呤(A)是miRNA起始处的显性核苷酸，特别是在第3和第7核苷酸的位置[7]。不同miRNA家族之间的丰度差异显著，可能是由于组织或发育阶段特异性表达。在秀丽隐杆线虫中，miR-71含量丰度高，调控发育和寿命[23-24]。在扁形虫中，日本血吸虫miR-71在卵中高表达，而在雌性成虫中低表达，说明其在胚胎发育中起作用[25]。miR-71是棘球蚴不同生命周期阶段中表达量最高的一种miRNA[26]。研究表明，多房棘球绦虫miR-71在原头节发育的不同阶段存在差异表达，提示其在原头节发育中发挥重要作用[27]。47个miRNA在其他绦虫中也被发现，不是棘球绦虫特异的。鉴定的miRNA属于34个不同的miRNA家族，其中miR-2家族由miR-2a、miR-2b-3p、miR-2b-5p、miR-2c-3p、miR-2c-5p、miR-2d-5p这6个成员组成。进一步分析发现，同一家族中某些成员也存在较大差异，提示miRNA家族中存在功能差异[25]。绦虫基因组的扩展测序，可能解决有关绦虫预防和控制问题，通过确定新的药物和疫苗靶标以及诊断测试、分析寄生虫宿主的相互作用，从而中断或阻断寄生虫的免疫逃避。

5 基于蛋白质的基因组学

在囊型棘球绦虫包囊中，抗原结合是最具代表性的分子功能，并发现天然免疫应答蛋白功能。它们是不同类型的免疫球蛋白，与先天免疫有关。运用质谱(MS)的分析方法，对蛋白质进行鉴定和定量[28-30]，鉴定的85种蛋白中有6种匹配到细粒棘球绦虫物种。在囊壁中，184个蛋白中有3个和卵细胞匹配，即磷脂酶D1、Ras相关蛋白Rab6B和肌联蛋白，并发现了许多参与免疫应答的蛋白质。其中囊壁的30种蛋白质中，囊腔中不存在人类白细胞抗原(HLA)组织相容性抗原I和II类[30-32]。科特氏中殖孔绦虫的成虫和幼虫的蛋白质组学比较研究发现，在鉴定的蛋白中，幼虫和成虫共有207个蛋白，其中157个是阶段特异性蛋白，31个来自幼虫，126个来自成虫。幼虫的功能主要与基础代谢有关，通过无性繁殖，负责生长和营养发育。成虫具有更广泛的功能，包括大分子生物合成过程、基因表达和控制途径[33-34]。绦虫蛋白质不仅在模式生物中存在，其他绦虫中也存在，通过对其时空表达模式研究，一些已识别的阶段特异性蛋白与特定的组织、结构或分化过程相关。幼虫期和成虫期蛋白质有明显的生物学差异，这可能和与寄生虫在不同宿主体内代谢的变化有关[35]。利用这些技术可以了解疾病和其在宿主条件下的细胞和分子机制，以及蛋白质生物标志物筛选提供有关绦虫分子入侵宿主过程的功能信息，这些过程与寄生虫的生存和发育有关。

6 药物靶标

利用生物信息学方法分析绦虫基因组和用药物处理前后蛋白质变化差异，可以发现寄生虫的基因(特别是必需基因)可能就是抗寄生虫药物的潜在靶标或新药物作用靶点[35]。分析猪带绦虫(T.solium)基因组序列，成虫阶段的16 000条EST序列中，与人类1.5%序列无同源性，这些基因成为猪带绦虫药物治疗、诊断、疫苗研制的候选基因[36]。通过结合基因组的代谢网络和在电脑模拟分析来确定药物靶点，发现血吸虫的胞苷酰转移酶可以作为药物靶标分析，开发一种血吸虫胞苷转移酶特异性抑制剂[35, 37]。氯喹和青蒿素作用后恶性疟原虫，运用蛋白组学方法分析滋养体阶段蛋白质表达变化，发现蛋白质数量增加了30%，部分蛋白质在药物作用下表达量发生应激性变化，蛋白质组学方法可用于抗寄生虫药物作用机理的研究[38]。绦虫和吸虫的酶-硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶(TGR)是吸虫内一个必需的蛋白，并证实可以作为药物靶标[5]。对棘球绦虫115个保守蛋白质进行GO富集分析，发现这些蛋白具有催化或结合功能。加拿大棘球绦虫所对应的蛋白质药物靶标与细粒棘球绦虫和多房棘球绦虫有很高的同一性。筛选出42种绦虫高度保守性蛋白，作为潜在的药物靶标，主要是涉及防御、抗原、转录、新陈代谢、信号分子、运输和保守性较好蛋白质[4,39]。绦虫基因组学和蛋白质组学分析，鉴定出来的差异蛋白主要与营养摄取、信号转导及免疫逃避应答等重要生理过程有关，为药物靶标、疫苗候选分子、诊断抗原的筛选奠定了基础。

7 展 望

绦虫棘球蚴病是一类重要的人兽共患病，阻碍了社会经济的发展，造成畜牧业的经济损失。随着基因组学和生物信息学的发展，绦虫基因组的研究为绦虫和宿主之间的作用机制提供了更广阔的视角，了解寄生虫的寄生机制，为绦虫病的诊断提供新的依据。有关机构已经对多房棘球绦虫、细粒棘球绦虫、猪带绦虫、微口膜壳绦虫、猬迭宫绦虫、牛带绦虫和亚洲带绦虫完成并公布全基因组测序结果[5,7]，从基因组学层面，绦虫的机制研究对绦虫疾病的发展以及人类的健康等具有重要意义。但是关于绦虫的免疫逃避、宿主蛋白消化、入侵过程中的分泌蛋白酶等[7,40-41]的作用机制还待研究。

随着基因组学和生物信息学的发展，全基因组分子标记的发展将使从野外采集的寄生虫中更准确地估计种群遗传和重组参数，从而更好地研究绦虫和其他血吸虫在人类或宿主之间的传播[16, 42]。一些棘球绦虫中，进化枝特异性肌醇-五磷酸盐2-激酶(IP2K)在细胞外壁中产生肌醇六磷酸盐沉积物，保护幼虫的绦虫蚴[43]，同时沉积物增加了吸附宿主蛋白的表面积，促进与宿主的相互作用增加了吸附宿主蛋白的表面积[44]。在蠕虫中，可以观察到四肽家族的扩展，四肽家族是宿主体内蠕虫释放囊泡的一部分，免疫原性较高[45]。绦虫中包含2个具有三磷酸腺苷双磷酸酶结构域的扩增家族，这2个家族可能参与从受损宿主组织中水解ATP[46]。同时绦虫的表面糖蛋白可能与天然免疫细胞上的凝集素受体以抑制方式相互作用[45, 47]，通过修饰直接暴露于免疫系统的寄生虫表面分子来逃避或转移宿主免疫。加拿大棘球绦虫的基因测序和注释好的完成，证明加拿大棘球绦虫(G7)的基因组与其他的棘球绦虫基因组是高度同源，这些基因和蛋白质可能成为开发新的治疗干预措施或新的生物药物成分的潜在药物靶点[4,6]。基于上述对绦虫基因组学的研究，可能会发现绦虫感染的标志物，为绦虫病的诊断提供参考依据。但是，关于绦虫、环境和宿主三者之间的关系，基于基因组学的研究方法需要改革创新。

利益冲突：无