Ученые расшифровали полный геном оленьего клеща

Группа ученых под руководством Университета Мэриленда расшифровала первый всеобъемлющий непрерывный геном паразита, ответственного за передачу болезни Лайма и других серьезных инфекций сотням тысяч американцев ежегодно. С помощью своего недавно описанного генома черноногого или оленьего клеща исследователи выявили тысячи новых генов и новых функций белков, включая белки, связанные с клещевым иммунитетом, передачей болезней и стадиями развития.

Эта работа предоставляет ценную информацию для разработки вмешательств в отношении различных переносимых клещами заболеваний, намного превосходящих предыдущие попытки секвенировать геном клеща, в результате которых были получены частичные геномы или фрагменты генома с пробелами и неопределенностями.

Исследование было опубликовано 19 января 2023 года в журнале Генетика природы и стало возможным благодаря тесному сотрудничеству между несколькими академическими учреждениями, промышленностью и федеральными учреждениями.

Мы очень рады, что теперь у нас есть эталонный геном, потому что осталось так много вопросов о том, как эти паразиты развились и передают болезни. Мы считаем, что существуют генетические факторы, которые способствуют тому, что эти клещи так хороши в качестве переносчиков болезней, но мы не можем понять это без очень хорошего генома, подобного этому».

Утпал Пал, старший автор исследования и профессор Колледжа ветеринарной медицины штата Вирджиния-Мэриленд в Колледж-Парке.

Черноногие клещи (Иксод лопаточный) или близкородственные виды широко распространены в Северной Америке, Европе, Северной Африке и Азии. Они являются основными переносчиками ряда заболеваний, в том числе болезни Лайма, которой ежегодно заражаются почти полмиллиона американцев. Тем не менее, многие аспекты их биологии остаются неизвестными.

Имея полный геном, ученые могут начать разгадывать молекулярные механизмы, лежащие в основе многих аспектов биологии паразита и его взаимодействия как с хозяевами, так и с болезнями, которые он передает.

Геном черноногого клеща состоит из более чем 2 миллиардов дискретных фрагментов кода ДНК (выраженных в виде комбинаций четырех нуклеотидов, представленных буквами ATCG). Подобно тому, как буквы соединяются вместе, образуя слова в предложении, коды ДНК объединяются в гены, составляющие геном.

В предыдущей работе по расшифровке генома клеща использовалось множество незрелых клещей или клеток клещей, которые выращивались в лабораториях в течение нескольких поколений, что приводило к ошибкам, или объединялись образцы от нескольких отдельных клещей, что приводило к фрагментированным пакетам кода с множеством избыточных фрагментов. Исследователям пришлось заново собрать фрагменты, определив, где начинается и заканчивается каждый ген и как они должны быть расположены.

Чтобы преодолеть эти проблемы, Пал и его коллеги объединили два метода секвенирования генома одного клеща. Один метод расшифровывал весь геном сразу, создавая последовательность, которая была полной, но немного «нечеткой», то есть во многих местах код был нечетким. Во втором методе исследователи использовали распространенный метод, называемый полимеразной цепной реакцией или ПЦР, для «амплификации» небольших сегментов генома, чтобы его можно было прочитать более четко. Затем команда объединила два результата, что было немного похоже на использование нечеткой большой картинки в качестве эталона для сборки кусочков головоломки с высоким разрешением. Наконец, исследователи использовали технику под названием «Hi-C», чтобы соединить небольшие фрагменты ДНК в более длинные непрерывные нити.

В результате получается высококачественный непрерывный геном, полный на 98%. Новый геном показал, что 40% аннотаций, ранее описанных для черноногого клеща, основаны на более старой технологии и нуждаются в обновлении.

Затем исследователи сравнили свой полный геном с фрагментами геномов, секвенированных из 51 пойманного в дикой природе клеща, показав, что новая работа может быть использована в качестве эталона для идентификации сегментов генетического материала других людей. Это также выявило непризнанное генетическое разнообразие среди групп клещей из разных регионов США.

Наконец, команда проанализировала геном своего клеща, чтобы идентифицировать тысячи новых генов и белков и описать новые критические функции этих генов. Например, в одном эксперименте они обнаружили, что некоторые белки присутствуют только на определенных этапах жизненного цикла клеща или на определенных этапах во время приема пищи и пищеварения клеща. Уничтожив ген, который говорит клещевым клеткам производить один из этих белков, они смогли нарушить процесс питания и пищеварения клеща.

Будущая работа, подобная этой, может помочь нацелить генную терапию и вакцины, которые прерывают часть цикла передачи болезни между клещами и людьми.

Дополнительным результатом исследования стало то, что исследователи идентифицировали и описали более полный геном для Риккетсия бухнерипатогенные бактерии, вызывающие риккетсиоз.

Геномные ресурсы, описанные в документе, общедоступны через основные базы данных и будут полезны для продвижения исследований клещей и профилактических мер.