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最新资讯:Marine Drugs,巨石斑鱼全基因组测序及抗菌肽基因筛选

      编辑:水产       来源:水产养殖网
 

作者:南湖意 

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石斑鱼作为海水养殖的重要经济鱼类,2015年全球产量达15.5万吨,总价值6.3亿美元,中国大陆约占总产量的65%。至少有47种石斑鱼纯种及15种石斑鱼杂交种,正在进行养殖试验或已经在进行人工养殖。巨石斑鱼(Epinephelus lanceolatus)是世界上最大的石斑鱼,因生长迅速而广受欢迎,巨石斑能长到2.3米,重达400公斤,第一年可达3公斤。巨石斑鱼本身很难繁殖和饲养,因此,将巨石斑鱼的快速生长速度纳入杂交石斑鱼的基因组一直是杂交石斑鱼研究的重点。如今,杂交石斑鱼在产量中占有显著的比例。在中国大陆,一个常见的养殖杂交种是E. fuscoguttatus × E. lanceolatus,它被命名为虎龙石斑鱼,可能占中国大陆石斑鱼产量的70%以上。

石斑鱼集约化养殖的快速发展,导致了越来越严重的传染病发病率。据报道,在亚太地区,共发现石斑鱼365种疾病或疾病综合征,细菌性和病毒性疾病分别占40%和26%。在石斑鱼养殖中,许多抗生素被用来控制细菌性疾病,但也出现了严重的弊端,如药物残留和耐药菌株的出现。抗菌肽(AMPs)是一类不同种类的小阳离子肽分子,是多细胞生物进化的古老武器。然而,对石斑鱼中AMPs基因的系统筛选还未见报道。

随着具有特定进化特征的模式生物和物种基因组的公布,越来越多的重要作物和经济动物被测序。在这项研究中,我们对巨石斑鱼的基因组进行了测序,目的是系统地获得其遗传信息,并提供加速育种改进的机会。大多数经济作物或动物的基因组都集中在生长性状上。当一些鱼类基因组项目关注于免疫基因丢失(大象鲨、大西洋鳕鱼)或扩张(大黄鱼)时,我们进行这个项目来筛选假定的AMP,试图探索用于细菌和病毒疾病治疗的免疫资源。特别是,一些AMPs作为抗生素的潜在替代品在农业中得到了广泛应用。这项工作可能有助于开发石斑鱼药物,减少抗生素和其他化学中毒药物的使用。本研究报告了一个由Illumina HiSeq X-10和Pacbio Bioscience Sequel平台测序的巨石斑鱼的高质量基因组。然后,根据已发表的斜带石斑鱼(E. coioides)高分辨率遗传图谱组装了巨石斑鱼的支架,并将其定义为巨石斑鱼的假染色体(Pseudochromosome)(图1)。
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图1.假染色体信息的circos图谱表示。(i)每个假染色体的长度。(ii)100 kb基因组间隔的GC含量(GC含量从0.25到0.51)。(iii)每个100 kb基因组间隔内的基因分布密度。(iv)巨石斑鱼基因组中主要染色体间关系的示意图,代表了两条染色体之间基因的共线性。

巨石斑鱼基因组总大小可达1.128Gb,占基因组大小的96.8%。共有24794个蛋白质编码基因通过从头预测、转录组学数据和同源预测进行了注释。从在线抗菌肽数据库(APD3, http://aps.unmc.edu/AP/main.php)中收集了2927个AMP序列,这些序列被用作blast识别假定AMP的查询序列。共获得254个假定的AMP基因,根据APD3中AMP的注释,可将其分为34类。它们在假染色体上的位置也被确定。其中thrombin (64 AMPs)、 lectin (29 AMPs) 和scolopendin (23 AMPs)是三个最大的部分。此外,还通过转录组数据测量了假定AMPs的表达。两个假定的AMP基因(GAPDH1和GAPDH2)参与了巨石斑鱼肌肉中的糖酵解,其表达水平极高。AMPs可抑制多种微生物的生长,参与调节先天性和适应性免疫反应,本研究的基因组测序为石斑鱼的AMPs提供了一个全面的分类,支持了水产养殖抗菌和治疗研究。
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图2.(a)AMP分布和(b)AMPs的KEGG代谢途径注释。

已有报道从石斑鱼中克隆和研究了几种AMPs,包括epinecidin, hepcidin, defensin和piscidin。我们从巨石斑鱼基因组中鉴定出EC-hepcidin1,一种来源于赤点石斑鱼肝脏和胃的hepcidin。Enap-1是一种来源于马(ekus caballus)的防御素,在巨石斑鱼中也被发现。然而,另外两个在石斑鱼中被报道的AMP并没有在我们的注释基因集中被发现。
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图3.斑马鱼、大石斑鱼和黄鳍金枪鱼中两个与生长相关的假定AMP基因(GAPDH1和GAPDH2)的结构。粉色、蓝色和绿色框分别代表斑马鱼、大石斑鱼和黄鳍金枪鱼的基因编码序列(CDS)。显示了与斑马鱼、黄鳍金枪鱼和大石斑鱼的YFGAP和SJGAP相匹配的部分gapdh1(a)和gapdh2(b)的多序列比对。蓝色和黄色标记分别代表 80%和 50%的相似度。

累积的证据表明,AMPs不仅通过破坏细胞膜广泛地抑制微生物的生长,而且还参与调节先天性和适应性免疫反应。在巨石斑鱼肝脏和肌肉中高表达的gapdh1基因可能暗示其具有积极的糖酵解活性和抗菌活性。先前的研究表明,金枪鱼gapdh蛋白N末端对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有很强的抗菌活性。gapdh衍生肽的抗真菌作用在许多研究中也得到了证明。然而,gapdh在石斑鱼中并没有被发现被切割,这种切割性可能是组织特异性的。它在肌肉中的含量很高,并且其全长和酶活性仅用于糖酵解,而在皮肤或其他组织中它可能被切割成AMPs,这种肽(如果产生的话)在巨石斑鱼中的抗菌功能值得进一步研究。

此外,绝大多数巨型石斑鱼都是生为雌性,几乎没有雄性,并且种群中的大部分会在第一次或第二次成熟后将性别改变为雄性(所有雌性都有能力改变性别)。这种雌雄同体的雌雄同体大多为石斑鱼所共有。这项研究的材料可以为探索石斑鱼性别变化的机制提供机会。

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