臭虫为何难以杀死？科学家发现遗传背后的生存秘密

科学家们成功地绘制出了两种臭虫品系近乎完整和高度精确的基因组图谱：一种对杀虫剂极易产生抗药性，另一种"超级品系"的抗药性大约是前者的2万倍。 这项成果提供了迄今为止最全面的杀虫剂抗药性背后的基因突变情况。 研究结果发表在昆虫杂志上。

虽然臭虫不会传播疾病给人类，但它们的叮咬会引起瘙痒性皮疹和继发性感染。 到 20 世纪 60 年代，杀虫剂的使用，包括现已被禁用的滴滴涕，几乎消灭了臭虫的数量，使臭虫侵扰成为一种罕见现象。 然而，在过去的二十年里，臭虫在全球范围内卷土重来，这主要是由于基因突变使它们对现代杀虫剂产生了抗药性。

抗药性的产生有多种机制，例如产生解毒酶（代谢抗药性）或进化出更厚的保护外层来阻挡化学物质（渗透抗药性）。 以前的研究已经确定了一些涉及抗药性的基因和突变，但由于以前的研究没有对抗药性菌株的整个基因组进行测序，因此完整的基因图谱仍不清楚。 这项新研究填补了这一关键空白，揭示了驱动抗性的全部突变。

每个转录本的突变位点数量用圆圈表示。 (b-g）候选抗性基因的突变位点用不同的氨基酸表示。"易感"指本研究中测序的易感菌株和 Clec2.1（已有的臭虫基因组序列）。 基因 ID 用"g"表示，后加数字；转录本变异用"t"表示，后加数字。 在（b）中，两个突变位点与家蝇925的位点相对应。 资料来源：Kouhei Toga/广岛大学

广岛大学生命综合科学研究生院教授博野秀正领导的研究小组绘制了日本易感和抗性臭虫菌株的基因组图谱，以弥补这一空白。 他们从 68 年前在长崎谏早市田间采集的野生臭虫（Cimex lectularius）中获得了易感株系。 同时，抗性菌株是从 2010 年从广岛市一家酒店采集的标本中培育出来的。 他们的测试表明，抗性样本对拟除虫菊酯（控制臭虫最常用的杀虫剂）的抗性增强了19859倍，超过了之前发现的许多超级菌株的抗性水平。 所有样本都是由日本化学品制造公司 Fumakilla Limited 提供的。

基因组测序就像拼接一幅巨大的拼图，从16万块到1600亿块不等。 为了绘制迄今为止最完整的臭虫基因组图谱，研究人员使用了突破性方法--长线程测序，这种方法可以捕捉到更长的DNA片段，就像把整块拼图拼在一起一样。 相比之下，传统的短读取测序只能捕捉到很小的片段，经常会出现令人沮丧的空白。

研究人员对这两个基因组进行了近乎完整的组装，几乎每一个片段都准确无误，易感菌株的完整性达到了 97.8%，质量值（QV）达到了 57.0；抗性菌株的完整性达到了 94.9%，质量值达到了 56.9。 QV 超过 30 表示序列质量高，错误率低于 0.1%。 这两个序列的N50值也都超过了之前测序工作中现有的C. lectularius参考基因组Clec2.1，这意味着基因组拼图的空白更少、更完整。

在对基因组进行全面测序后，研究小组确定了蛋白质编码基因，确定了它们的功能，并通过转录分析评估了它们是否活跃。 他们发现3938个转录本存在氨基酸酸错配。 其中，729个突变转录本与杀虫剂抗药性有关。

"我们确定了抗杀虫剂臭虫的基因组序列，与易感臭虫相比，它们的抗药性高出2万倍。 通过比较易感性臭虫和抗药性臭虫的氨基酸序列，我们发现了729个具有抗药性特异性突变的转录本，"研究第一作者、哈佛大学生命综合科学研究院基因组信息学实验室博士后研究员Kouhei Toga说。

"这些转录本包括与DNA损伤反应、细胞周期调控、胰岛素代谢和溶酶体功能有关的基因。 这表明，这些分子途径可能在臭虫对拟除虫菊酯产生抗药性的过程中发挥作用。"

通过借鉴以前的昆虫研究，研究人员证实了已知的抗药性突变，并发现了新的突变，这些突变可以为更有针对性、更有效的害虫控制策略提供信息。

"我们发现了大量可能与杀虫剂抗药性有关的基因，其中许多基因与臭虫的抗药性有关，而此前并没有相关报道。 对这些基因进行基因组编辑可以为了解杀虫剂抗药性的演变和机制提供有价值的信息，"Toga 说。

"此外，这项研究还扩大了用于监测等位基因分布和频率变化的目标基因库，这将大大有助于评估野生种群的抗药性水平。 这项工作凸显了全基因组方法在了解臭虫的杀虫剂抗药性方面的潜力。"

科学家对易感和高度抗杀虫剂臭虫菌株的近乎完整的基因组进行了测序，发现了729个抗药性特异性突变，包括与DNA损伤反应和细胞周期调控相关的基因。 这些发现可以指导更有效的害虫控制策略，并揭示抗药性机制的进化过程。

编译自/scitechdaily

DOI: 10.3390/insects15100737