最新資訊：Marine Drugs，巨石斑魚全基因組測序及抗菌肽基因篩選 |
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2019-09-16 17:20:00 水產養殖網 出處：水生動物健康評估
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作者：南湖意
石斑魚作為海水養殖的重要經濟魚類，2015年全球產量達15.5萬噸，總價值6.3億美元，中國大陸約占總產量的65%。至少有47種石斑魚純種及15種石斑魚雜交種，正在進行養殖試驗或已經在進行人工養殖。巨石斑魚(Epinephelus lanceolatus)是世界上最大的石斑魚，因生長迅速而廣受歡迎，巨石斑能長到2.3米，重達400公斤，第一年可達3公斤。巨石斑魚本身很難繁殖和飼養，因此，將巨石斑魚的快速生長速度納入雜交石斑魚的基因組一直是雜交石斑魚研究的重點。如今，雜交石斑魚在產量中占有顯著的比例。在中國大陸，一個常見的養殖雜交種是E. fuscoguttatus × E. lanceolatus，它被命名為虎龍石斑魚，可能占中國大陸石斑魚產量的70%以上。
石斑魚集約化養殖的快速發展，導致了越來越嚴重的傳染病發病率。據報道，在亞太地區，共發現石斑魚365種疾病或疾病綜合征，細菌性和病毒性疾病分別占40%和26%。在石斑魚養殖中，許多抗生素被用來控制細菌性疾病，但也出現了嚴重的弊端，如藥物殘留和耐藥菌株的出現?？咕模ˋMPs）是一類不同種類的小陽離子肽分子，是多細胞生物進化的古老武器。然而，對石斑魚中AMPs基因的系統篩選還未見報道。
隨著具有特定進化特征的模式生物和物種基因組的公布，越來越多的重要作物和經濟動物被測序。在這項研究中，我們對巨石斑魚的基因組進行了測序，目的是系統地獲得其遺傳信息，并提供加速育種改進的機會。大多數經濟作物或動物的基因組都集中在生長性狀上。當一些魚類基因組項目關注于免疫基因丟失（大象鯊、大西洋鱈魚）或擴張（大黃魚）時，我們進行這個項目來篩選假定的AMP，試圖探索用于細菌和病毒疾病治療的免疫資源。特別是，一些AMPs作為抗生素的潛在替代品在農業中得到了廣泛應用。這項工作可能有助于開發石斑魚藥物，減少抗生素和其他化學中毒藥物的使用。本研究報告了一個由Illumina HiSeq X-10和Pacbio Bioscience Sequel平臺測序的巨石斑魚的高質量基因組。然后，根據已發表的斜帶石斑魚(E. coioides)高分辨率遺傳圖譜組裝了巨石斑魚的支架，并將其定義為巨石斑魚的假染色體（Pseudochromosome）(圖1)。
圖1.假染色體信息的circos圖譜表示。（i）每個假染色體的長度。（ii）100 kb基因組間隔的GC含量（GC含量從0.25到0.51）。（iii）每個100 kb基因組間隔內的基因分布密度。（iv）巨石斑魚基因組中主要染色體間關系的示意圖，代表了兩條染色體之間基因的共線性。
巨石斑魚基因組總大小可達1.128Gb，占基因組大小的96.8%。共有24794個蛋白質編碼基因通過從頭預測、轉錄組學數據和同源預測進行了注釋。從在線抗菌肽數據庫(APD3,  http://aps.unmc.edu/AP/main.php)中收集了2927個AMP序列，這些序列被用作blast識別假定AMP的查詢序列。共獲得254個假定的AMP基因，根據APD3中AMP的注釋，可將其分為34類。它們在假染色體上的位置也被確定。其中thrombin (64 AMPs)、 lectin (29 AMPs) 和scolopendin (23 AMPs)是三個最大的部分。此外，還通過轉錄組數據測量了假定AMPs的表達。兩個假定的AMP基因（GAPDH1和GAPDH2）參與了巨石斑魚肌肉中的糖酵解，其表達水平極高。AMPs可抑制多種微生物的生長，參與調節先天性和適應性免疫反應，本研究的基因組測序為石斑魚的AMPs提供了一個全面的分類，支持了水產養殖抗菌和治療研究。
圖2.（a）AMP分布和（b）AMPs的KEGG代謝途徑注釋。
已有報道從石斑魚中克隆和研究了幾種AMPs，包括epinecidin, hepcidin, defensin和piscidin。我們從巨石斑魚基因組中鑒定出EC-hepcidin1，一種來源于赤點石斑魚肝臟和胃的hepcidin。Enap-1是一種來源于馬（ekus caballus）的防御素，在巨石斑魚中也被發現。然而，另外兩個在石斑魚中被報道的AMP并沒有在我們的注釋基因集中被發現。
圖3.斑馬魚、大石斑魚和黃鰭金槍魚中兩個與生長相關的假定AMP基因（GAPDH1和GAPDH2）的結構。粉色、藍色和綠色框分別代表斑馬魚、大石斑魚和黃鰭金槍魚的基因編碼序列（CDS）。顯示了與斑馬魚、黃鰭金槍魚和大石斑魚的YFGAP和SJGAP相匹配的部分gapdh1（a）和gapdh2（b）的多序列比對。藍色和黃色標記分別代表>80%和>50%的相似度。
累積的證據表明，AMPs不僅通過破壞細胞膜廣泛地抑制微生物的生長，而且還參與調節先天性和適應性免疫反應。在巨石斑魚肝臟和肌肉中高表達的gapdh1基因可能暗示其具有積極的糖酵解活性和抗菌活性。先前的研究表明，金槍魚gapdh蛋白N末端對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都有很強的抗菌活性。gapdh衍生肽的抗真菌作用在許多研究中也得到了證明。然而，gapdh在石斑魚中并沒有被發現被切割，這種切割性可能是組織特異性的。它在肌肉中的含量很高，并且其全長和酶活性僅用于糖酵解，而在皮膚或其他組織中它可能被切割成AMPs，這種肽（如果產生的話）在巨石斑魚中的抗菌功能值得進一步研究。
此外，絕大多數巨型石斑魚都是生為雌性，幾乎沒有雄性，并且種群中的大部分會在第一次或第二次成熟后將性別改變為雄性（所有雌性都有能力改變性別）。這種雌雄同體的雌雄同體大多為石斑魚所共有。這項研究的材料可以為探索石斑魚性別變化的機制提供機會。
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