比较基因组学和蛋白质组学分析揭示了蜱虫蛋白酶抑制剂的直系群结构演化

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Comparative genomic and proteomic analysis reveals orthogroup structured evolution of tick protease inhibitors

　　

Krishnagaanth Mohankumar | Mood Rajitha | Macha Vijay | Anand Srivastava

BRIC-国家动物生物技术研究所（NIAB），Gachibowli，Gopanpalli，海得拉巴，500032，特伦甘纳邦，印度

摘要

蛋白酶抑制剂（PIs）在调节蜱虫内的内源性蛋白水解以及蜱虫与寄生虫的相互作用中起着核心作用。然而，它们在不同蜱虫谱系中的进化结构尚未得到充分解析。在这里，我们对14种蜱虫的预测蛋白质组进行了全基因组比较分析，以系统地描述PI的多样性。总共鉴定出4931个潜在的PI，并使用MEROPS分类系统将其分为20个家族。此外，之前未在蜱虫基因组中系统报道的Antistasin、WAP型和Pacifastin等PI家族也被进行了分类。

正群推断表明，PI的扩展是在进化谱系层面而非所有家族中均匀发生的。通过根据重复负担和分类学保守性对正群进行分层，我们发现了一个在强烈纯化选择下广泛保守的单拷贝核心。对丝氨酸蛋白酶反应中心环的基序水平分析进一步揭示了单拷贝正群内抑制特异性的保守性，以及与重复相关的谱系中关键功能残基的多样化。整合来自Hyalomma anatolicum和Rhipicephalus microplus的分泌预测和组织分辨蛋白质组学数据表明，进化分层在蛋白质水平上得到了体现。这些发现共同提供了一个正群解析的进化框架，将重复动态、分子进化和组织水平的蛋白质分布联系起来。这种综合方法为未来功能和抗蜱干预研究提供了系统的基础，以优先考虑保守和多样化的PI谱系。

引言

蜱虫是专性吸血的外寄生虫，是影响动物和人类的病毒、细菌和原生动物病原体的重要载体（Jongejan和Uilenberg，2004）。全球范围内，蜱虫及其传播的疾病估计造成了巨大的经济损失（CDC，2022；Singh等人，2022）。蜱虫的唾液腺和唾液在长期吸血和病原体传播中起着核心作用，它们分泌多种生物活性分子，包括酶、脂质运载蛋白、蛋白酶抑制剂、肽、蜱虫特异性蛋白质和非蛋白质成分（Kazimirova和Stibraniova，2013；Simo等人，2017；Ali等人，2020；Nuttall，2023；Kleissl等人，2025）。其中，蛋白酶抑制剂是一类主要参与调节蜱虫内源性蛋白水解以及与凝血、炎症和免疫反应相关的宿主蛋白酶级联反应的分子（Martins等人，2020；Jmel等人，2021）。一些PI家族，如Kunitz型抑制剂、丝氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶抑制剂，已经被评估为疫苗候选物，这突显了它们的生物学和转化应用价值（Chmelar等人，2017；Cerny和Arora，2024）。这些观察结果强调了PI在抗蜱干预研究中的潜在重要性。

包括基因组学、转录组学和蛋白质组学在内的组学技术的最新进展，使得大规模识别蜱虫唾液和调节蛋白成为可能（Garcia等人，2020；Jia等人，2020；Raza等人，2023；Rodriguez-Duran等人，2025）。蜱虫基因组的特征是基因重复和谱系特异性扩展，特别是在与宿主相互作用相关的基因家族中（Louw等人，2013；Van Zee等人，2016；Mans等人，2017）。因此，仅凭家族水平的丰度无法确定扩展是单个祖先基因的重复扩增还是具有不同功能轨迹的多个进化谱系的多样化。

基于正群的比较基因组学提供了一个可扩展的框架，通过理解物种间共享的进化谱系并量化每个谱系内的重复事件来解答这些问题（Freitas和Nery，2020；Zhou等人，2025）。虽然多基因家族中的正群之间存在差异，但尚不清楚蜱虫PI中的重复模式是否在所有家族中随机分布，或者是否形成了与功能特化相关的不同进化机制。特别是，尚不清楚保守的单拷贝正群是否代表一个功能受限的核心，以及易重复的正群是否优先贡献于蜱虫的分泌库。

为了研究这一点，我们对14种蜱虫的预测蛋白质组进行了全基因组比较分析，根据MEROPS数据库系统地鉴定和分类蛋白酶抑制剂。我们整合了正群推断、重复事件映射、保守性分层、基于密码子的进化分析、丝氨酸蛋白酶反应中心环的基序水平表征、分泌预测以及来自Hyalomma anatolicum和Rhipicephalus microplus的组织分辨蛋白质组学数据。通过这种方法，我们建立了一个正群解析的进化框架，以理解蜱虫中PI的多样化，并为未来功能研究和抗蜱干预策略提供了系统的基础，以优先考虑保守和多样化的谱系。

部分摘录

潜在蛋白酶抑制剂的鉴定

选择了14种具有完整基因组组装的蜱虫物种，并从国家生物技术信息中心和中国国家生物信息中心检索了它们的预测蛋白质组。所选基因组组装的详细统计信息见补充表1。参考蛋白酶抑制剂（PIs）来自MEROPS数据库（Rawlings等人，2018）。这些序列被用作查询，以识别每种蜱虫中的同源蛋白

全基因组鉴定揭示了蜱虫物种间广泛的蛋白酶抑制剂库

蛋白酶抑制剂（PIs）是蜱虫生理和蜱虫与寄生虫相互作用的核心组成部分，但其扩展和功能多样化的进化结构仍不清楚。我们假设PI家族在蜱虫中的明显扩展是在进化正群层面而非仅限于家族身份层面发生的，并且由重复驱动的谱系优先贡献于细胞外和宿主界面功能。

结论

总体而言，我们系统地鉴定并分类了多种蜱虫中的蛋白酶抑制剂，揭示了主要PI家族内的异质重复模式。基于正群的分析表明，家族级别的扩展是由具有不同保守性和重复程度的不同进化谱系构成的。基序水平的差异和分泌谱型进一步表明了与重复相关的正群之间的功能多样化。

CRediT作者贡献声明

Krishnagaanth Mohankumar：撰写——原始草稿，可视化，验证，调查，概念化。Mood Rajitha：撰写——原始草稿，调查，数据管理。Macha Vijay：资源获取，数据管理。Anand Srivastava：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，正式分析，概念化。

致谢

A.S. 感谢海得拉巴的国家动物生物技术研究所（NIAB）提供的核心资助。K.M. 获得了印度科技部（DBT）的奖学金（DBT/2021-22/NIAB/1718）。M.V. 获得了印度医学研究委员会（ICMR）和Faridabad地区生物技术中心（RCB）的奖学金（ICMR-SRF 45/14/2020-TR/BMS ICMR），以攻读博士学位。M.R. 也获得了奖学金