带绦虫虫种分子分类遗传标记的研究进展
2023-05-25
来源:年旅网
安徽医科大学学报Acta Universitatis Medicinalis Anhui 2012 Oct;47(10) ・1241・ 带绦虫虫种分子分类遗传标记的研究进展 刘摘要航综述杨毅梅审校 带绦虫虫种分子分类研究中,遗传标记的选择最为重 要。目前应用的遗传标记有:①线粒体基因:包括线粒体细 胞色素C氧化酶第1亚基基因(cox1)、细胞色素b基因 (mtDNA—Cytb),线粒体一12S rRNA基因(mtDNA一12S rRNA)。 核生物的起源和线粒体基因的演化提供了便利条 件。线粒体基因组所有这些特征在动物物种分类、 基因进化、现有物种的进化史研究中得到应用。亚 ②核基因组中的核糖体基因:包括ITS1、ITS2基因序列以及 核基因组中的组织蛋白L型半胱氨酸酶基因序列。现对不 同的遗传标记的种间、种内差异性,以及在带绦虫虫种的分 子分类中的适用范围进行阐述,提出带绦虫虫种鉴定和亚洲 牛带绦虫虫种定位在遗传标记的使用上应该有所区别。 关键词带绦虫;遗传标记;线粒体基因;核糖体基因 中图分类号R 383.3+2 文献标志码A文章编号1000—1492(2012)10—1241—04 猪带绦虫、牛带绦虫以及亚洲牛带绦虫是引起 人体带绦虫病的主要虫种。带绦虫虫种的鉴别对流 行病学研究和疾病的控制有着重要作用。此外,亚 洲牛带绦虫虫种定位意见并不统一,是新的虫种,还 是牛带绦虫的亚种存在争议,因此寻找牛带绦虫和 亚洲牛带绦虫基因的差异性对亚洲牛带绦虫虫种定 位有着重要意义。不同的遗传标记有着不同的种间 或种内差异性,适用于不同的虫种分类需要,带绦虫 虫种的分子分类工作的目的主要有2个:①未知标 本的虫种鉴定;②绘制完整地系统发育树状图,得 出准确的分子水平差异,以便最终为亚洲牛带绦虫 虫种的定位提供依据。现以带绦虫虫种分子分类的 遗传标记和它们研究的最新进展进行综述。 1线粒体遗传标记 1.1线粒体基因组的特征 动物线粒体基因组很 小,独立于胞核染色体基因组之外,但又与胞核染色 体基因组紧密联系;有相对稳定的基因数目,基本上 是母系遗传,其进化速度相对较慢。tRNA的二级 结构、碱基组成和变异等也有其自身特点,为研究真 2012—01—18接收 基金项目:国家自然科学基金(编号:30860252) 作者单位:大理学院基础医学院寄生虫学教研室,大理671000 作者简介:刘航,男,硕士研究生; 杨毅梅,女,教授,硕士生导师,责任作者,E—mail:yimeiyl0 @gmail.corn 洲牛带绦虫和牛带绦虫线粒体基因组全序列核苷酸 的差异性达5.6%,故可根据线粒体基因组序列设 计引物,通过PCR法扩增遗传标记片段,可较容易 地鉴别这两个虫种…。 3种带绦虫线粒体基因组已完成测序_1j,亚洲 牛带绦虫线粒体基因:长度13 703 bp,GC含量 28%,蛋白编码区占28%,GeneBank登记号 (AF445798;NC-004826);牛带绦虫线粒体基因组: 长度13 670 bp,GC含量28%,GeneBank登记号 (AF684274;NC-009938);猪带绦虫线粒体基因组: 长度13 709 bp,GC含量27%,GeneBank登记号 (AB086256;NC-004022)。3种带绦虫线粒体基因 组两个主要非编码区长度的变化,亚洲牛带绦虫:非 编码区1(70 bp),非编码区2(176 bp);牛带绦虫: 非编码区1(66 bp),非编码区2(159 bp);猪带绦 虫:非编码区1(68 bp),非编码区2(192 bp)。 1.2线粒体细胞色素C氧化酶第1亚基基因(cy- clooxygenasel,eox1) 亚洲牛带绦虫和牛带绦虫的 整个线粒体基因组长度约为14 000 bp。coxl基因 为1 620 bp,这两种带绦虫的coxl部分片段(260 bp,核苷酸序列从916~1 148 bp)的序列差异率为 2%~3%E2],由其实际的coxl全部基因序列来计算 两者的基因差异率为4.5%E3-4],提示部分基因序 列和完全基因序列所得的结果是不同的。Jeon et al_4 研究认为,对coxl基因的部分片段的分析容易 产生偏倚,而对coxl基因整个序列的分析结果更加 可信。coxl基因能够区分3种带绦虫,而且能成功 区别猪带绦虫的两种亚型,使分类更加明确 I6 。 Hancock et al 5-6]证实线粒体基因组中的eoxl是区 别不同地域猪带绦虫及其幼虫的“marker”基因,并 提出该基因应用于猪带绦虫病和囊尾蚴病的鉴别诊 断。 在GenBank中有3种带绦虫的coxl序列信息, 亚洲牛带绦虫、牛带绦虫和猪带绦虫登记号分别为 AB107236、AB107245和AF360871。 Jeon et al 采用PCR扩增测序,对亚洲牛带 ・1242・ 安徽医科大学学报Acta Universitatis Medicinalis Anhui 2012 Oct;47(10) 绦虫与牛带绦虫的线粒体基因进行序列分析,发现 12S rRNA基因片段的扩增产物进行限制性片段长 coxl基因序列的差异率为4.6%,提示牛带绦虫和 亚洲牛带绦虫的coxl基因所具有的差异性,完全可 以用于虫种分子分类以及为亚洲牛带绦虫虫种定位 提供部分依据。coxl基因在带绦虫虫种分类以及 度多态性分析是对绦虫纲、带属、种或亚种进行分类 的一个可靠的方法。 2核糖体DNA序列 猪带绦虫病和囊尾蚴病的鉴别诊断中发挥作用,是 应用最广泛的遗传标记。 1.3 细胞色素b基因(mtDNA・Cytb) mtDNA— rDNA是转录核糖体RNA的基因,是一类中度 重复序列,以串联多拷贝的形式存在于细胞核内染 色体DNA中。每个重复单位由非转录间隔区(non— transcribed spacer,NTS)、内部转录间隔区(internal Cytb位于线粒体环状DNA链的功能区中,是线粒体 基因组中进化适中的基因,较短的一个片段就能包 含从种下水平到属水平乃至纲水平的系统发育信 息。mtDNA.Cytb在同种动物间碱基变异的量很少, 个体差异性小,遗传稳定性强,而不同种动物之间序 列差异却非常大,种内序列差异小于种间差异,但仍 具有遗传差异,因此可以用于种内鉴别。mtDNA— Cytb在细胞内拷贝数多,比线粒体rDNA和非编码 区的基因更易于排序,分析灵敏度高再加上能用一 些通用引物扩增,被认为是解决系统发育问题最可 信的遗传标记之一。Jeon et al 3一 采用PCR扩增测 序,对亚洲牛带绦虫与牛带绦虫的线粒体基因进行 序列分析,发现两者mtDNA.Cytb序列的差异率为 4.6%,说明有显著的遗传差距,可以用来分类亚洲 牛带绦虫和牛带绦虫。 张晨吴等 对采自云南楚雄、大理、怒江和贵 州从江的带绦虫标本mtDNA—Cytb基因部分区段 PCR扩增后,进行测序比对并构建系统发育树结果 显示:云南怒江及大理的带绦虫与台湾亚洲牛带绦 虫的遗传距离较近,为亚洲牛带绦虫;云南楚雄与贵 州从江的带绦虫遗传距离较近,应为牛带绦虫。这 表明在带绦虫生物多态性研究中,尤其是牛带绦虫 与亚洲牛带绦虫的分类研究中,mtDNA.Cytb序列可 以作为种间、种内分类的良好分子标靶。 1.4线粒体-12S rRNA基因(mtDNA-12S rRNA) mtDNA一12S rRNA的非同源相似性较高,实际上 更多用于近缘种的研究。目前,国内外学者已将 mtDNA-12S rRNA基因片段应用于蜘蛛、蛙类、壁 虎、麝类动物等的分类鉴定的研究。Jeon et al_8 用 牛带绦虫的线粒体基因组全序列与猪带绦虫、亚洲 牛带绦虫的线粒体基因组全序列比较发现,牛带绦 虫的mtDNA一12rRNA基因序列与亚洲牛带绦虫有 5%的差异率,与猪带绦虫的差异率为12%。Somers et al 通过扩增mtDNA一12S rRNA基因片段并进行 限制性片段长度多态性分析,成功地对猪带绦虫、牛 带绦虫、亚洲牛带绦虫进行了区分,证实了mtDNA. transcribed spacer,ITS)和3种核糖体基因编码区 (18S、5.8S、28S)组成,其进化方式一致,个体内的 rDNA序列同源性极强,可作为个体基因研究,方便 分析。由于进化方式的一致性,使种内繁殖的中层 群内的变异体恒定,因而单一个体即可代表其种内 繁殖种群,可有效地对种内的亚种进行鉴别,这是 rDNA基因的特征 J,并且ITS区不加入成熟核 糖体,进化速率较快,可以从不太长的序列中获得较 多遗传信息,更为重要的一点是该基因家族通过不 等交换和基因转变可经历快速的协同进化,不同 ITS拷贝间的序列相近或完全_致,使重复单位在 基因组中具有一致性,所以ITS的序列信息可以提 供比较丰富的变异位点和信息位点,容易进行PCR 直接测序。其次,由于18S、5.8S和28S的高度保守 性,能较方便地设计出上下游引物,而使PCR扩增 成为可能,对研究带绦虫虫种种系关系十分有用。 ITS序列是rDNA中介于18S rDNA和28S rDNA之 间的内转录间隔区,包含位于18S rDNA和5.8s rD. NA之间的核糖体DNA第一内转录间隔区(ISTI), 以及位于5.8 S rDNA和28S rDNA之间的核糖体 DNA第二内转录间隔区(ITS2)两段序列,有时也将 ITS1、5.8S rRNA和ITS2统称为ITS区。由于ITS 区受外界环境因素的影响较小,进化速度较快,因而 具有种间变异大的特性,如猪带绦虫和牛带绦虫 ITS区变异大,可以用于种间分类,在带绦虫虫种分 类及亚洲牛带绦虫虫种定位研究中,IST序列是很 好的遗传标记 。 张朝云等 对贵州都匀株、从江株、云南大理 株以及台湾桃园株带绦虫rDNA.ITS1区段进行PCR 扩增、测序、构建系统发育树,结果表明在带绦虫分 类研究中,rDNA—ITS1序列可以作为种内分类的遗传 标记。张科等¨ 对我国4省区5地带绦虫rDNA— ITS2序列进行测定分析,结果显示:从rDNA.ITS2 序列的角度确定了贵州都匀株、云南大理株为亚洲 牛带绦虫,贵州从江株、新疆乌什株为传统牛带绦 安徽医科大学学报Acta Universitatis Medicinalis Anhui 2012 Oct;47(10) ・1243・ 虫。李晓娟等 对采自云南香格里拉的带绦虫标 本的rDNA—ITS1区段进行PCR扩增测序,证实云南 片段,即使偶尔选择两个遗传标记,也是每个遗传标 记单独分析,这并不合理。从虫种鉴定角度看,单一 香格里拉带绦虫存在亚洲牛带绦虫。李强等¨ 对 云南洱海环湖区域的带绦虫rDNA-ITS2序列进行测 序分析,结果证实洱源与挖色(大理地区)存在牛带 绦虫,双廊、周城和喜洲(大理地区)存在亚洲牛带 绦虫,研究证明ITS2序列在研究带绦虫近缘种的系 统进化关系以及亚洲牛带绦虫和牛带绦虫分子分类 遗传标记的应用是可行的,单一遗传标记只要存在 种间或种内差异性就可以用于鉴别虫种。但单一遗 传标记用于亚洲牛带绦虫的虫种定位研究,会使虫 种定位结果产生误差,原因是分子分类并不是适合 任何基因,使用的基因用于种间分类则必须最大限 度容纳种间差异性,排除种内差异性和个体差异性; 方面具有很高的应用价值。 3核基因组织蛋白 型半胱氨酸酶基因(clp) clp是核基因组成员,猪带绦虫为3 159 bp,牛 带绦虫和亚洲牛带绦虫为3 166 bp,通过blast同源 性对比,猪带和牛带绦虫同源性为92%,差异性较 大;牛带绦虫和亚洲牛带绦虫同源性为98%,差异 性较小,因此clp基因寻找牛带绦虫和猪带绦虫的 差异性较为容易,而寻找牛带绦虫和亚洲牛带绦虫 差异性较困难。Nkouawa et all18]首次用LAMP(环 介导等温扩增技术)扩增clp基因片段,鉴别带绦虫 虫种,反应后电泳显示,只能区分牛带绦虫和猪带绦 虫,但不能区分牛带绦虫和亚洲牛带绦虫,牛带绦虫 和亚洲牛带绦虫要通过限制性内切酶酶切后区分。 荧光定量PCR技术融合了PCR的高灵敏性,DNA 杂交技术的高特异性和光谱技术的高定量性的优 点 ,而LAMP技术是一种操作更简便,灵敏性、特 异性、定量性和荧光PCR相近或超出的新型技术, 虽然现阶段LAMP技术未成功利用clp基因区分虫 种,但这与引物的设计可能有很大关系,选择差异性 较大序列,重新设计引物,可能会得出不同结果。 4遗传标记的对比分析及适用范围 带绦虫线粒体基因与核基因组中的核糖体基因 以及组织蛋白£型半胱氨酸酶基因相比较,线粒体 基因(尤其是coxl基因)差异性最大,最适合带绦虫 分子分类;其次,核糖体基因也是较好的遗传标记, 但其存在于核基因,一个细胞一般只有一组核基因, 却有多个线粒体,即多组线粒体基因组,在标本量较 小情况下,线粒体基因组更适合分子分类;组织蛋白 型半胱氨酸酶基因序列差异性小,分类效果较差, 但可以作为其他基因分子分类的补充。目前遗传标 记的应用在带绦虫虫种鉴定和亚洲牛带绦虫的虫种 定位上存在混淆,无论是虫种鉴定还是亚洲牛带绦 虫虫种定位往往都是选择一个或两个遗传标记,甚 至PCR扩增的产物经常只是某一遗传标记的部分 基因用于种内分类则最大的容纳种内差异性,排除 个体差异性,这些是遗传标记的特有特征,所以分子 分类必须使用遗传标记,遗传标记具有种或亚种所 特有的遗传特征,但遗传标记只是很短的一小段基 因,它并不能代表整个基因组的差异性,只有多遗传 标记才可近似的代表整个基因组的差异性。亚洲牛 带绦虫的虫种定位工作实际上是在排除亚洲牛带绦 虫和牛带绦虫的个体差异性的基础上寻找两者之间 整个基因组的种间差异性或种内差异性。遗传标记 的完整片段、部分片段、同一基因的不同片段以及多 遗传标记的差异性分析,可以产生完全不同的结果, 所以在亚洲牛带绦虫虫种定位研究中,选择多遗传 标记和遗传标记的全序列分析,绘制更加完整地,可 以代表整个基因组的系统发育树,应该更为合理。 参考文献 [1]贾万忠,闫鸿斌,郭爱疆,等.带科绦虫线粒体基因组全序列研 究进展[J].中国人兽共患病学报,2010,26(6):596—600. 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