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SSR基因分型在人类疟原虫多样性、种群结构和进化起源研究中的应用


题目:Human Plasmodium vivax diversity, population structure and evolutionary origin
人类间日疟原虫多样性、种群结构和进化起源
发表期刊:PLOS Neglected Tropical Diseases 发表时间:2020-3-9  影响因子:4.487

1、研究简介
    间日疟原虫是世界上分布最广的疟原虫,每年报告的疟疾临床病例超过2亿例。由于与恶性疟原虫相比,该物种的死亡率较低,因此长期以来一直被忽视和研究不足。在过去十年中,随着抗疟药物耐药性的发现以及严重甚至致命的人类病例的发现,人们重新产生了兴趣。尽管如此,今天在人们对间日疟原虫的种群遗传学和进化史的理解上仍然有很大的差距,特别是因为缺乏来自非洲的遗传数据。为了填补这些空白,本研究对来自全球20个国家的28个地点的834个样本中的14个微卫星位点进行了基因分型,分析了世界范围内的种群遗传结构和多样性,间日疟原虫在世界范围内的进化起源及其在美洲的引入。这项研究证明了对间日疟原虫进行全基因组分析的重要性,以便解开其复杂的进化史。

2、材料和方法
    收集来自20个国家28个地点的834份间日疟原虫感染的人类血液样本。所有血样在知情同意后收集,并保存为干血斑或全血。间日疟原虫感染通过显微镜、聚合酶链反应和/或RDT确诊。
    微卫星基因分型方面,在提取DNA后,先利用试剂盒对每个DNA样品进行全基因组扩增。将全基因组扩增的DNA用作模板,用于对间日疟原虫10条染色体上的14个多态性微卫星标记进行扩增。荧光标记的PCR产物利用ABI毛细管电泳仪进行检测,进行基因分型。
    血样经常被两个或多个单倍型间日疟原虫感染,导致在多态位点检测到两个或多个等位基因。在14个微卫星位点中的任何一个位点上具有一个以上等位基因的分离株被从分析中去除,留下575个样本用于群体遗传分析。利用LOSITAN软件对自然选择下的微卫星标记进行了搜索,确定了可能处于正选择或平衡选择下的微卫星座位。使用Nei’s无偏估计等方法对群体遗传多样性进行了分析。使用种群树、多维标度(MDS)和贝叶斯聚类方法(STRUCTURE分析)对种群之间的遗传关系及结构进行了评估及可视化。


 
 
图1、取样分布图。每个国家都标明了采集的样本数(N)和单一感染样本数(Nm)。黄色代表亚洲国家,紫色代表中东国家,灰色代表非洲国家,绿色代表美国国家。

遗传多样性和连锁不平衡分析
 

 
 
图2、使用每个群体所有基因座对每个大陆的总体等位基因丰富度、Hs和rDbar的评估结果。

    结果显示,东南亚群体呈现最高的等位基因丰富度(图2A)和遗传多样性(Hs亚洲= 0.865;Hs中东= 0.788;Hs非洲= 0.820;Hs美国人口= 0.820)(图2B)。当分别考虑每个基因座时,观察到等位基因丰富度和预期杂合性的一致模式。关于连锁不平衡(根据rDbar的估计),东南亚人口的水平最低,其次是中东、非洲和南美人口(图2C)。

群体遗传结构分析
 

 
 
图3、全世界收集的575株间日疟原虫的遗传结构。A.基于Cavalli-Sforza距离的NJ树。B.不同国家及区域多维标度表示(MDS)图。
 
 

 
 
图4、使用STRUCTURE软件,对全球收集的575个间日疟原虫样本进行K = 2、K = 4和K = 6的贝叶斯聚类分析。

    使用NJ树和MDS方法都显示间日疟原虫种群根据地理起源聚集在一起(图3A和3B)。根据贝叶斯聚类分析,与美国人口相比,亚洲、中东和东非的群体结构似乎没有按国家划分,而是更加多样化(图4)。在美洲大陆,墨西哥间日疟原虫的种群似乎与毛里塔尼亚的种群相关联。实际上,贝叶斯聚类分析 (在K从4到8变化的模型下)表明,墨西哥被分配到与毛里塔尼亚相同的组。而来自埃塞俄比亚和苏丹的非洲似乎在遗传上更接近中东和亚洲 (图4)。

4、讨论
    本研究的结果揭示,在世界范围内观察到的种群间遗传多样性和遗传分化的差异可能是间日疟原虫在世界上殖民历史的结果,也可能是近期人口统计事件(如种群收缩、扩张或创建事件)的影响。本文基于微卫星标记的结果更符合亚洲起源和目前在全球人类中发现的间日疟原虫种群从亚洲的传播。遗传多样性和等位基因丰富度在东南亚间日疟原虫种群中最高,从东南亚到东非逐渐减少,这表明人类间日疟原虫的源种群在东南亚,然后通过一步一步的殖民化过程传播到非洲的假说。

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