楊慧娟，董文鴿

恙蟲病又稱叢林斑疹傷寒，通過恙螨叮咬引起，是世界上危害嚴重的一類人獸共患寄生蟲病，既往曾被列為我國法定傳染性疾病[1-2]。纖恙螨屬Leptotrombidium隸屬于動物界Animalia、節(jié)肢動物門Arthropoda、蛛形綱Arachnida、蜱螨亞綱Acari、真螨總目Acariformes、前氣門目Prostigmata、恙螨科Trombiculidae[3]。全世界記錄了近3 000種恙螨，在中國已報告500余種[4]。恙螨生活史比較復(fù)雜，分為7個時期：包括卵、次卵、幼蟲、若蛹、若蟲、成蛹和成蟲[5]。除幼蟲必須營寄生生活以外，其他生活史時期均為營自由生活[6]。幼蟲導(dǎo)致的直接危害是形成以黑褐色焦痂為特征的恙螨性皮炎。目前已測序的3種纖恙螨(紅纖恙螨Leptotrombidiumakamushi、地里纖恙螨Leptotrombidiumdeliense和蒼白纖恙螨Leptotrombidiumpallidum)均為恙蟲病的重要傳播媒介恙螨[7]。

線粒體存在于大多數(shù)真核生物細胞，為各種生命活動提供能量，是進行有氧呼吸的主要場所[8]。線粒體基因組是一般大小為15～20 kb的閉合雙鏈環(huán)狀分子，共37個基因，包括22個tRNA基因、13個蛋白編碼基因(nad1-6；nad4L；cox1-3；cob；atp6；atp8)和2個rRNA基因(rrnS和rrnL)，通常還包括一段較長的非編碼區(qū)[9-10]。近年來，隨著新一代高通量測序技術(shù)的興起以及技術(shù)的逐漸成熟，越來越多蜱螨線粒體全基因組被測定。據(jù)NCBI基因組數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，纖恙螨屬僅3種恙螨提交了線粒體基因組全序列。

本文綜述了3種纖恙螨(蒼白纖恙螨，登錄號: NC_007177)；紅纖恙螨，登錄號: NC_007601)和地里纖恙螨，登錄號: NC_007600)線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu)、非編碼區(qū)、堿基組成、蛋白編碼基因、基因重疊與基因間隔、tRNA和rRNA基因特征，分析纖恙螨屬線粒體基因組獨特的結(jié)構(gòu)特征和變異情況，為進一步了解恙螨的分子進化、系統(tǒng)發(fā)育研究提供更多的證據(jù)。

1 纖恙螨屬線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特點

迄今為止已測序的3種纖恙螨(蒼白纖恙螨、紅纖恙螨和地里纖恙螨)線粒體基因組均為閉合環(huán)狀分子，大小分別為16 779 bp、13 698 bp、13 731 bp[11]。后生動物典型的線粒體基因組包括22個tRNA基因、13個蛋白編碼基因、2個rRNA基因以及1個非編碼區(qū)(也叫控制區(qū))(NCR)[12]。3種纖恙螨非編碼區(qū)的數(shù)量不止1個，紅纖恙螨和地里纖恙螨有2個非編碼區(qū)，蒼白纖恙螨有4個非編碼區(qū)。大多數(shù)后生動物線粒體基因組編碼2個rRNA基因(rrnL和rrnS)，但在蒼白纖恙螨中，多了一個大亞基rRNA基因(rrnL)和一個小亞基rRNA假基因(PrrnS)，且長度只有rrnS的一半[13]。一般來說，線粒體基因含量和排列在較低分類水平(科和屬)上是保守的，而在較高分類水平(門)上差異較大[14]。比較3種纖恙螨與節(jié)肢動物祖先以及前氣門目部分物種的線粒體基因組，發(fā)現(xiàn)不同科之間線粒體基因排列有很大不同，且同屬內(nèi)不同物種的基因排列也存在較大差異(圖1)。首先，與節(jié)肢動物祖先線粒體基因組相比，紅纖恙螨和地里纖恙螨有29個不保守基因邊界，11個保守基因邊界；蒼白纖恙螨有34個不保守基因邊界，10個保守基因邊界。其次，蚌螨屬2個物種顯示了2種類型的基因排列(圖1)，基因簇trnA-nad3-trnF-trnT-trnY-trnN-trnL1-CR-trnH-trnS1-nad4-trnR-trnV卻是共有的,說明這個基因簇是蚌螨屬的共有衍征；蠕形螨屬2個物種顯示了種類型的基因排列，共享2個基因簇trnL1-trnV-rrnS-trnF和trnM-trnN-trnS1-trnE；同樣，纖恙螨屬3個物種顯示2種類型的基因排列(圖1)，4個衍生的基因簇trnH-nad4L-trnL1-trnT-trnL2-nad1-trnY、trnS1-trnP-nad4-R-V、trnD-atp8-atp6-cox3-trnE-trnG-trnN和trnW-nad5-trnF-trnA-nad3是纖恙螨屬的共有衍征[15-18]。

注：下劃線表示基因在N鏈上。藍色表示反向移位，綠色表示僅發(fā)生移位，rrnS和rrnL用深灰色表示，控制區(qū)用淺灰色表示。下劃線表示共享的基因簇。圖片下方的圓圈表示保守的基因邊界。圖1 節(jié)肢動物祖先以及前氣門目部分物種的線粒體基因排列順序[11]Fig.1 Mitochondrial gene arrangement order in arthropod ancestors and in some species of Prostigmata[11]

2 線粒體基因組非編碼區(qū)

線粒體基因組中最大的非編碼區(qū)叫做控制區(qū)(control region)，負責線粒體DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的起始，控制區(qū)的進化速度比線粒體DNA其他區(qū)域快3～5倍[19]。因此，控制區(qū)序列廣泛用于遺傳多樣性[20]、種類鑒定[21]、群體遺傳結(jié)構(gòu)和起源進化[22]等研究。在昆蟲中，由于控制區(qū)A+T含量較高，也稱控制區(qū)為A+T富集區(qū)(A+T-rich region)[23]。3種纖恙螨非編碼區(qū)A+T含量在59.54%～66.71%之間?？刂茀^(qū)的長度在不同分類群中差異很大，甚至在親緣性較高的物種之間也是如此[24]。蒼白纖恙螨控制區(qū)總長度為2 742 bp(表1)。紅纖恙螨和地里纖恙螨控制區(qū)總長度分別為521 bp和591 bp(表1)。這就解釋了為什么蒼白纖恙螨的線粒體基因組要比另外2種纖恙螨的線粒體基因組大。紅纖恙螨和地里纖恙螨2個控制區(qū)大小相近，蒼白纖恙螨4個控制區(qū)大小不同，且3種纖恙螨控制區(qū)的核苷酸序列幾乎相同。由于協(xié)同進化導(dǎo)致控制區(qū)核苷酸序列高度相似[25]，可推測這3種纖恙螨是協(xié)同進化而不是獨立進化。只有獨立進化才能導(dǎo)致控制區(qū)核苷酸序列的差異，最終導(dǎo)致其中某一個控制區(qū)退化或缺失[26]。此外，重復(fù)控制區(qū)的堿基替換速率低于非重復(fù)控制區(qū)的堿基替換速率。所以，在使用控制區(qū)作為系統(tǒng)發(fā)育標記之前，應(yīng)檢查線粒體基因組排列是否存在重復(fù)控制區(qū)，以避免重復(fù)控制區(qū)對系統(tǒng)發(fā)育估計的負面影響[27]。控制區(qū)在后生動物中相對保守，通常位于rrnS和rrnL之間[28]，但3種纖恙螨控制區(qū)的位置具有極強的變異性(圖1)。

有研究表明，動物線粒體基因組控制區(qū)長度的變化都是由串聯(lián)重復(fù)序列的重復(fù)類型及重復(fù)次數(shù)引起，因此控制區(qū)被認為是線粒體基因組DNA序列和大小變異的主要來源[29-30]。這一結(jié)論在魚類、哺乳類、鳥類、爬行類和昆蟲等線粒體基因組研究中得到了證實[31-32]。目前僅在狄斯瓦螨Varroadestructor和戶塵螨Dermatophagoidespteronyssinus的控制區(qū)中發(fā)現(xiàn)存在串聯(lián)重復(fù)序列[33-34]。通常認為DNA復(fù)制過程中的滑鏈可導(dǎo)致串聯(lián)重復(fù)序列的出現(xiàn)[35]。3種纖恙螨控制區(qū)均未存在串聯(lián)重復(fù)序列,說明這3種纖恙螨在線粒體基因組復(fù)制過程中沒有發(fā)生DNA滑鏈現(xiàn)象。

3 纖恙螨屬線粒體基因組的堿基組成

3種纖恙螨A+T含量分別為67.47%、69.95%、70.96%，G+C含量分別為32.53%、30.05%、29.04%(表1)。發(fā)現(xiàn)紅纖恙螨和地里纖恙螨的A+T含量略低于螨類線粒體基因組的平均A+T含量(75.34±4.78%)[36]，只有蒼白纖恙螨的A+T含量在螨類線粒體基因組的平均A+T含量范圍內(nèi)。3種纖恙螨A+T含量與G+C含量兩兩之間相差不大，一般情況下，同科或同屬之間A+T與G+C含量相近[37]。后生動物線粒體基因組在核苷酸組成上通常表現(xiàn)出明顯的鏈偏向[38]。這被認為是由于一種不對稱的突變模式導(dǎo)致，其中一條鏈在轉(zhuǎn)錄和復(fù)制過程中暫時保持單鏈狀態(tài)，使DNA更容易受到損傷[39]。核苷酸鏈偏向可以用AT-偏斜和GC-偏斜來測量(分別為(A%-T%)/(A%+T%)、(G%-C%)/(G%+C%))[40]。3種纖恙螨線粒體基因組AT-偏斜與GC-偏斜均為負值，AT-偏斜與后生動物線粒體基因組典型的鏈偏向(AT-偏斜為正，GC-偏斜為負)相反，GC-偏斜則相同(表1)，造成這種鏈偏向的逆轉(zhuǎn)可能是控制區(qū)倒置的結(jié)果，因為控制區(qū)倒置受線粒體DNA的不對稱突變約束影響[41]。此外，在螨類線粒體基因組中，似乎很少見到正GC-偏斜。但3種纖恙螨cox1基因第3密碼子的AT-偏斜和GC-偏斜與后生動物典型的鏈偏向相反(表2)，cox1基因在核苷酸和氨基酸水平上進化最慢[42]。

表1 3種纖恙螨線粒體基因組的核苷酸組成Tab.1 Nucleotide composition of the mitochondrial genomes of three species of the genus Leptotrombidium

表2 蛋白編碼基因cox1第3密碼子的核苷酸組成[43]Tab.2 Nucleotide composition at the third codon of the protein-coding gene cox1[43]

4 纖恙螨屬蛋白編碼基因

線粒體基因組13個蛋白編碼基因進化速率不一致，通常用作DNA條形碼分子標記來鑒定物種以及作為種下階元研究親緣關(guān)系[44]。3種纖恙螨蛋白編碼基因大多以標準的ATN(ATA、ATT、ATG、ATC)為起始密碼子，少數(shù)使用非標準的起始密碼子，如蒼白纖恙螨nad4基因以TTG為起始密碼子。特殊的起始密碼子可以縮短基因間距，避免基因重疊現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)錄后經(jīng)過編輯可以形成正確的起始密碼子來執(zhí)行功能[45]。線粒體基因組13個蛋白編碼基因大多以TAA、TAG及不完整的T或TA為終止密碼子。紅纖恙螨和地里纖恙螨有6個蛋白編碼基因(cox1、cox3、nad2、nad6、atp6、atp8)的終止密碼子是TAA,另外7個蛋白編碼基因以不完整的密碼子作為轉(zhuǎn)錄終止信號(6個T，1個TA)；蒼白纖恙螨有7個蛋白編碼基因以TAA或TAG為終止密碼子(6個TAA，1個TAG),其他6個蛋白編碼基因，4個以T作為轉(zhuǎn)錄終止信號，2個以TA作為轉(zhuǎn)錄終止信號。不完整的終止密碼子通過轉(zhuǎn)錄后經(jīng)多聚腺苷酸化修飾最終形成完整的終止密碼子[46]。昆蟲線粒體蛋白編碼基因A+T含量相對較高(64.00%～86.70%)[47]。3種纖恙螨(紅纖恙螨、地里纖恙螨和蒼白纖恙螨)蛋白編碼基因A+T含量分別為67.20%、70.10%、71.40%，說明纖恙螨屬線粒體基因組13個蛋白編碼基因的A+T含量比大部分昆蟲低。

5 纖恙螨屬線粒體基因組基因重疊區(qū)與基因間隔區(qū)

基因重疊區(qū)是指同一段核酸序列參與不同基因編碼的現(xiàn)象；基因間隔區(qū)是指線粒體基因組中編碼基因之間存在的非編碼序列，大小變化很大。大部分昆蟲的線粒體基因組基因之間排列比較緊密，基因重疊區(qū)和基因間隔區(qū)較少[48]。3種纖恙螨的線粒體基因組有多處基因重疊區(qū)和基因間隔區(qū)。紅纖恙螨有3個基因重疊區(qū)，地里纖恙螨有5個基因重疊區(qū)，重疊范圍均在1～4 bp；蒼白纖恙螨有10個基因重疊區(qū)，重疊范圍在1～13 bp。紅纖恙螨的基因間隔區(qū)有15個，間隔范圍在1～31 bp；地里纖恙螨的基因間隔區(qū)有8個，間隔范圍在1～10 bp；蒼白纖恙螨的基因間隔區(qū)有9個，間隔范圍在1～746 bp。間隔基因的出現(xiàn)一般促進生物進化，因為間隔基因有利于更多遺傳信息儲存和變異概率增多。

6 纖恙螨屬線粒體tRNA和rRNA基因特征

真螨總目tRNA基因的平均大小[平均值為(54.8±1.0) bp]比寄螨總目[平均值為(62.0±1.3)bp]tRNA基因的平均大小要小很多，導(dǎo)致部分tRNA基因無法形成典型的三葉草式二級結(jié)構(gòu)，即: 缺失D臂或缺失T臂或同時缺失D臂和T臂[49]。通常，后生動物線粒體基因組22個tRNA基因只有絲氨酸的tRNA(trnS1(AGN))基因缺失D臂，而其他tRNA基因缺失D臂現(xiàn)象較為罕見[50]。因此，后生動物絲氨酸的tRNA基因缺失D臂被認為是一個祖征[51]。3種纖恙螨tRNA基因斷臂現(xiàn)象十分常見，紅纖恙螨和地里纖恙螨有17個tRNA基因缺少D臂或T臂，蒼白纖恙螨有18個tRNA基因缺少D臂或T臂；紅纖恙螨和地里纖恙螨有7個tRNA基因(trnC、trnF、trnH、trnP、trnQ、trnT和trnW)缺失T臂，蒼白纖恙螨在這2種纖恙螨缺失T臂的基礎(chǔ)上還多了trnL2缺失T臂，但3種纖恙螨缺失D臂的10個tRNA基因(trnA、trnG、trnI、trnL1、trnN、trnR、trnS1、trnS2、trnV和trnY)是相同的(表3)。Shao RF等推測蒼白纖恙螨18個tRNA基因非典型的二級結(jié)構(gòu)不影響正常的生理功能[15]。已有研究表明，豬蛔蟲tRNA基因缺少D臂或T臂具有正常的生理功能[52]，線粒體tRNA基因缺失D臂或T臂的原因可能是這些tRNA基因在翻譯時和它們相互作用的蛋白質(zhì)是在細胞核中編碼所造成的[53]。然而，蛛形綱動物似乎有一種補償機制，允許截短的tRNA基因在翻譯時與核糖體相互作用來維持這些tRNA基因的功能以此來減少突變發(fā)生[54]。

3種纖恙螨2個rRNA基因分別編碼大亞基rrnL和小亞基rrnS，2個rRNA基因(rrnS和rrnL)在其它螨類以及大多數(shù)節(jié)肢動物線粒體基因組中均由輕鏈(N-鏈)編碼[55]。紅纖恙螨和地里纖恙螨的2個rRNA基因均位于重鏈(J-鏈)上。蒼白纖恙螨的2個rrnL基因，一個rrnL基因位于輕鏈(N-鏈)上，另一個rrnL基因位于重鏈(J-鏈)上[56]。3種纖恙螨rrnS基因A+T含量分別為67.11%、70.27%和72.05%(表1)，均不在螨類rrnS基因范圍內(nèi)(76.5±4.2)%。rrnL基因A+T含量分別為72.03%、73.02%和74.90%(表1)，只有蒼白纖恙螨rrnL基因A+T含量在螨類rrnL基因范圍內(nèi)(78.0±4.1)%[33]。與雅庫巴果蠅相比，3種纖恙螨rrnL基因都缺失螺旋B9、B11、B12、B20、C1、D1、CD1和H3，但復(fù)合螺旋D17-D18-D19卻是獨有的[57]。螺旋E2和E19只有蒼白纖恙螨單獨缺失，且螺旋H2高度保守。rrnS基因缺少螺旋1、2、4、5、6、7、8和12，復(fù)合螺旋19-20-21和39-40-42具有與其他節(jié)肢動物完全不同的二級結(jié)構(gòu)[58]。有研究表明，rRNA基因大小的減少可能與tRNA基因缺失T-臂之間存在著某種關(guān)聯(lián)[59]。

表3 3種纖恙螨tRNA基因缺D臂和T臂的情況[51]Tab.3 Three species of the genus Leptotrombidium tRNA genes lacking the D and T arms[51]

7 討論與展望

對纖恙螨屬3種纖恙螨線粒體基因組的分子結(jié)構(gòu)、非編碼控制區(qū)(A+T富集區(qū))、堿基組成、蛋白編碼基因、基因重疊與基因間隔、tRNA基因和rRNA基因特征進行了初步分析，發(fā)現(xiàn)與節(jié)肢動物祖先有很多不同之處。3種纖恙螨tRNA和rRNA基因比其他蜱螨亞綱物種要小很多，rRNA基因大小的減少可能與tRNA基因缺失T-臂之間存在著某種關(guān)聯(lián)，Yamazaki N等人認為tRNA和rRNA基因大小的減少反映了線粒體基因組一種獨特的趨勢，即線粒體基因組的最小化[60]，他提出的這種假設(shè)還有待驗證。蒼白纖恙螨tRNA基因非典型二級結(jié)構(gòu)不影響tRNA基因的正常功能，另外2種纖恙螨部分tRNA基因非典型二級結(jié)構(gòu)是否對某些功能造成影響還不得而知，目前也沒有發(fā)現(xiàn)同時缺少D-臂和T-臂的tRNA基因是否影響其正常功能。后續(xù)可以采取更多的實驗方法，進一步探究缺乏D-臂或T-臂或同時缺失D-臂和T-臂的tRNA基因是否具有正常生物學功能。

3種纖恙螨協(xié)同進化能否判斷纖恙螨屬中所有物種都是協(xié)同進化還是某些物種是獨立進化，或者這3種纖恙螨成為恙蟲病的傳播媒介恙螨是否與多個非編碼區(qū)有關(guān)，仍是一個有待鉆研的問題。3種纖恙螨cox1基因第三密碼子位置的AT-偏斜和GC-偏斜與后生動物典型的鏈偏向相反，是不是可能與cox1在核苷酸和氨基酸水平上是進化最慢的基因有關(guān)？因此，需要加強對纖恙螨屬線粒體基因組學的研究來說明這種解釋是否成立。

總之，通過比較和歸納現(xiàn)有纖恙螨屬線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特征和變異情況，其將為全面認識蜱螨亞綱線粒體基因組提供新的科學依據(jù)，3種纖恙螨的這些獨有特征是否是整個纖恙螨屬的特征還有待研究，因此，在今后的研究中，應(yīng)該不斷擴大和豐富恙螨線粒體基因組的測序規(guī)模，從線粒體基因組角度出發(fā)，更好地對恙螨科系統(tǒng)進化甚至是物種起源進行準確分析，我國是受恙蟲病危害較嚴重的國家，而纖恙螨屬是傳播恙蟲病的重要媒介。結(jié)合我國恙蟲病流行的實際開展恙螨研究，在豐富蜱螨亞綱基因組數(shù)據(jù)庫的同時，也促進了螨媒物種多樣性的研究，在一定程度對流行性出血熱及其媒介革螨的預(yù)測、預(yù)警、防控具有直接的指導(dǎo)價值和現(xiàn)實意義。

利益沖突：無

引用本文格式：楊慧娟，董文鴿. 纖恙螨屬線粒體基因組研究進展[J].中國人獸共患病學報，2022，38(7)：649-656. DOI:10.3969/j.issn.1002-2694.2022.00.084