20230726 ZJU-演化中心 吸血生物相关文献分享 (pdf+分享稿)
Hematophagy_Seminar_ZJU-evolution_20230726.pdf
开场
大家好，我今天分享的主题是”动物吸血食性的相关研究”。
动物吸血，通俗的说法叫做 Blood sucking，具有该食性的动物可能会叫做blood sucker 或者blood feeder。文献中可能会有Hematophagy 【hemætɒ’fædʒɪ】医学用法食血的，或者sanguivorous【 sæŋˈgwɪvərəs】动物学用法食血的。
第2页 Bloodsucking Creatures
Feeding on blood of another living organism 的 Bloodsucker，一般有令人熟知的有节肢动物门的六足亚门的昆虫比如蚊子，和节肢动物门的螯肢亚门蛛形纲物种，以及环节动物门蛭亚纲的水蛭，线虫动物门的部分线虫物种，脊索动物门的圆口纲的七鳃鳗与辐鳍鱼纲的卷须寄生鲇，最后是哺乳动物中的吸血蝙蝠。依据化石记录，目前的最早的吸血食性是2.2亿年前的protomosqutoes。
当然，相较于1亿5千万的物种，3万多种的吸血生物其实是非常非常少的一类。且这种食性应当是独立起源，甚至在蛛形纲中这种食性应当至少独立起源了6次。
第3页 Adaptations for Hematophagy
为了适应吸血这个习性，Blood feeders 应该需要哪些可能的适应性进化呢？
- 首先是需要找到一个host，可以是寄生这种方式，比如虱子或者前面提到的卷须寄生鲇【nián】，都是寄生的方式；如果不是寄生方式，blood feeders就需要自身的感官系统寻找宿主【视觉，嗅觉，温感】等，例如蚊子可以感受二氧化碳的浓度，方便定位宿主或者血管；
- 可能会需要附着在宿主身上实现，完成吸血这个动作；
- 如何获得血液，如果是 穿刺/吸 就需要 口器，如果是 撷取/撕裂 的方式，则需要尖锐的器官撕破表皮使血管暴露出来；
- 消化血液：血液中主要是蛋白质和水，高蛋白的饮食需要解决含氮废物的积累的问题，血液还有另一个特点，则是避免因为含铁量过高而中毒；
第4页 Why Do Bloodsucking Animals Feast on Blood?
吸血食性的出现，可能与生态位有关，因为体型的差异，吸血这个食性的出现使得不用捕猎大型的动物 缺可以 获得食物。
当然，关于血液是否营养充足，首先，血液中富含蛋白质，铁，以及其他的营养物质。另一方面，专性吸血的生物在吸血食性中需要适应：
- 缺少必要的氨基酸，以及维生素B；
- 含铁较高可能铁中毒；
- 高蛋白饮食可能需要解决含氮废物，人血中蛋白质的干重高达93%；
第5页 Vampire snail
接下来，我将分享一下这四类吸血生物的相关研究，首先是吸血海蜗牛。
第6页 Chemicals of vampire snail
吸血蜗牛，具有伸长的长鼻，或者说口器，会对睡觉的鱼进行吸血。吸血的方式是当长鼻与鱼的皮肤接触后，长鼻就会延长以进入血管。2015年的对吸血蜗牛的食管中部，唾液腺进行了RNA测序，在唾液腺中发现了427个独特的转录本，揭示了吸血蜗牛吸血过程中会分泌一些化学物质，对宿主进行麻醉，以及防止血液凝固或伤口愈合。另外，还在发现了血管紧张素转换酶，可以使得缺乏肌肉的长鼻在吸血过程中压强增高，更方便进行吸血。
另外，吸血蜗牛所在的布纹螺科，已经观察到了6个物种有吸血习性，所以很有可能整个科都具有吸血食性。
第7页 Leeches
第二个要介绍的是水蛭，也可以叫做蚂蟥。
第8页 Leeches in 2023
水蛭的研究，可能由于方便养殖，相对而言就更为详细。在今年4月份，发表在gigasicence上的水蛭基因组，相对而言较为详细的描述了吸血这个过程。组装了的三个物种的染色体基因组包括具有吸血习性的日本医蛭与欧洲医蛭，以及不具吸血习性的宽体金线蛭。
通过比较基因家族的扩张和收缩，在具有吸血习性的两种水蛭中都扩张的基因进行了GO分析，主要集中在ATP转运蛋白复合物，转录因子 IIA 复合物以及钙离子结合功能的GO term。
第9页 Transcriptome dynamics of Leeches in 2023
另外，这个部分，他们对这三种水蛭的四个部分进行了取样，分别是身体、生殖器，口吸盘和尾吸盘，发现两种吸血水蛭的差异表达基因在转录水平上表现非常相似。
除此之外，这里对欧洲医蛭进行了，吸血前、吸血后5分钟、10分钟、30分钟、60分钟，以及吸血后24小时进行了转录组取样，发现这些在吸血和非吸血的差异表达基因展现出了对吸血的快速响应并持续变化，直到吸血24小时后回归原来的表达状态。
这些差异表达的基因更多的集中于钙离子调控的通路中。
第10页 水蛭素Molecular mechanisms of Leeches
与吸血蜗牛类似，吸血水蛭也会从三个方面去适应吸血习性，分别是：
- 抑制血液凝固，即水蛭素，在医疗上有着非常大的作用，可用于血栓治疗；
- 减轻疼痛即麻醉剂；
- 抑制炎症；
通过多时间点的采样，可以发现水蛭素的表达是随着吸血时间呈现直线上升；这里水蛭素有三个拷贝，只有其中两个表现出了随吸血表达上升的现象。
其实，在2022年的一篇研究中，其实发现非吸血的宽体金线蛭中其实也存在水蛭素的抗凝剂，虽然其没有吸血的习性。
第11页 减轻痛苦Molecular mechanisms of Leeches
第3方面，会在吸血过程中大量分泌一些麻醉剂起到减轻疼痛的作用。如下图中的，AGRN，CYT，MMEL1基因都展现出了随着吸血时间而增加的趋势。
第12页 抑制炎症Molecular mechanisms of Leeches
第3方面，是抑制炎症，在吸血过程的开始时，抑制炎症的基因反而表现出先快速下调，在吸血完成后再回归到高表达的情况。这可能暗示着，吸血水蛭可能会一直维持着高水平的抗炎蛋白，方便快速释放到猎物身体里，来避免被察觉。
第13页 消化血液Molecular mechanisms of Leeches
另外，水蛭一般会吸5倍于自身体重的血液，有时候甚至是10倍。在2种吸血水蛭种都发现了GLB3血红蛋白的串联重复扩张现象，在欧洲医蛭中，这个基因的部分在吸血过程中迅速高表达，有3份拷贝展示出非常不一样的表达模式，在吸血过程结束了24小时之后，仍然高表达。这个可能和水蛭可以存储猎物的血液数月之久有关。
第14页 Vampire Bats
第三个要介绍的是吸血蝙蝠
第15页 三种吸血蝙蝠
需要提前说明的是，吸血习性只出现在三种亲缘关系很近蝙蝠中，分别是吸血蝠、白翼吸血蝠和毛腿吸血蝠；其余的蝙蝠，存在食果和食虫食性，比如，短吻果蝠，鼩【qú】形长舌蝠都是食果食性，以及在新冠疫情中及其有名的中华菊头蝠其实是食虫食性；另外，吸血蝙蝠有着一定的社会性，会分享自己吸食的血液，可能是为了其找不到血液时也有其他蝙蝠进行救助。
第16页 味觉基因
回到吸血习性上来，早在14年，赵华斌老师就解释了吸血蝙蝠的味觉基因存在Lost 或者 假基因化的情况，使得吸血蝙蝠无法尝到甜味和鲜味，以及其苦味基因存在更高比例假基因化的现象。这个可能和其吸血食性有着一定的关联。
第17页 新组装Lost Genes
去年2022年，MICHAEL HILLER团队在Science Advance上发表了关于吸血蝙蝠通过基因loss适应吸血食性的文章。文章对吸血蝙蝠的利用HiFi和Omni-C进行了文库构建和基因组组装，获得了一个高质量的基因组，scaffold N50在两种haplotype中高达160M。
利用他们今年和哺乳动物专刊一起发表在Science上的同源注释软件 Toga，与其余的蝙蝠进行ortholog鉴定与比较，确定了13个基因的inactivating mutation。其中3个，已经由赵华斌老师报道过了，分别是1个甜味基因和2个苦味基因。剩下的10个基因的inactivating如图所示，并对这些基因进行了一系列的解释。例如，loss掉CYP39A1基因，会使得24S-羟基胆固醇的表达增高，24S-羟基胆固醇不同于其他的胆固醇，该胆固醇可以跨过血脑屏障，在小鼠中有报道24S-羟基胆固醇的增高会使得其空间记忆能力增强；loss掉ERN2、FFAR1、以及SCL30A8基因可能和其饮食中低糖低膳食脂肪有关；
我这里将主要分享基因REP15这个例子：
第18页 The loss of REP15
由于吸血蝙蝠吸食血液，血液中富含血红蛋白，富含铁元素。对于吸血生物来讲，需要适应吸血食性需要克服的挑战之一就是避免铁元素中毒。对于吸血蝙蝠，loss掉REP15，该基因在人的胃肠道中高表达，调节转铁蛋白受体的回收功能。在蝙蝠中，其REP15基因出现了一个1A碱基的插入，以及4个碱基的loss，导致了该基因的 inactivating。去其他蝙蝠相比，吸血蝙蝠的血液含铁量有些高。且在1980年是就已经发现了，吸血蝙蝠的肠道上皮细胞中会富集铁，且在肠腔中可以观察到富集铁的上皮细胞掉落。loss掉REP15，使得吸血蝙蝠适应了高含量铁的饮食食性。
第19页 Adaptations 2018
在2018年的时候，就有过NEE的文章报道关于吸血蝙蝠的吸血适应性，其关注的方向基因的扩张和收缩以及吸血蝙蝠的正选择基因。
第20页 Gut microbiome of bat
另一方面的重点，是这篇文章，比较吸血蝙蝠的肠道微生物与非吸血生物的肠道微生物。如图A，依据微生物存在缺失构建的树状图，吸血食性的蝙蝠并没有很好聚集在一起；如图B，依据其肠道微生物的功能构建的树状图，吸血食性的蝙蝠聚集得很好；这说明了吸血蝙蝠的肠道微生物功能的独特性。
第21页 Vampire finch
第四个要分享的是吸血地雀，与其他上述三种吸血生物不同的点在于，吸血地雀并非专性吸血，而是食虫食性的同时兼性吸血。他们被观察到有吸食其他鸟类的血液的行为，主要是橙嘴蓝脸鲣鸟和蓝脚鲣鸟。他们会用喙反复啄这两种鸟直到出血。
第22页 Bloodsucking in birds
除了吸血地雀以外，比较出名的具有吸血习性的鸟类还有，加拉帕格斯群岛的冠嘲鸫与加岛嘲鸫；还有2种在非洲大陆的牛椋鸟。
第23页 Gut microbiome of bird
但是，在肠道微生物方面，2018年发表的文章，他们与2015年和2016年在加拉帕格斯群岛上进行雀类的粪便采样。比较可惜的是，他们的采样结果里面只覆盖了吸血地雀，并没有冠嘲鸫与加岛嘲鸫；通过16S rRNA 测序，通过非度量多维标度的方式，我按照PCoA来理解的，发现吸血地雀的 肠道微生物在鸟类Species水平，饮食水平，以及岛屿地区水平都很好的聚集在了一起，展示了吸血地雀肠道微生物的独特性。
第24页 Bloodsucking in other birds
另外，除了前面提到的5种比较出名的兼性吸血鸟类以外，还有两种鸟类有过报道，具有吸血行为，一个是大嘴乌鸦，世界上多个动物园报道了大嘴乌鸦会啄鹿进行吸血的情况；另一个是特里斯坦鸫，BBC报道了其会吸食企鹅的血液，由于报道实在过少，这里的特里斯坦鸫图片没有那么合适。比较令人好奇的几点，一是鸟类吸血习性的地域性，只出现在加拉帕格斯群岛、非常大陆、南太平洋这种可能生态位竞争较为强的地方；第二点是这几种鸟类都有食虫或帮助大型哺乳动物清理寄生蜱虫的行为，所有在《黑色盛宴：嗜血动物的奇异生活》一书中有提出鸟类的食虫起源假说；第三点是这几种鸟类都是雀形目鸟类，非雀形目鸟类中是并未演化出习性，还是由于非雀形目鸟类并未观察到这类习性。
遗憾的是，上述7种鸟类，我们万种鸟基因组计划只有红嘴牛椋鸟和大嘴乌鸦的基因组，感觉可能需要进行专门的采样才可能采集到这些基因组了。
第25页 Convergence of gut microbes?
最后一方面的分享是，一个延伸的讨论：这些吸血生物的微生物的肠道微生物是否趋同。
- 不趋同
- 在微生物分类水平以及功能上都趋同
- 仅在功能上趋同
2019年的一篇文章比较了一下蝙蝠和雀 吸血与不吸血 的肠道微生物组，在序列多样性水平和微生物community水平，关联并不高。如右图只在PC3上能将吸血与非吸血区分开，能解释的vaiance在5.382%；但是在核心的微生物分类与微生物组功能上有着更强的趋同现象。
第26页 + 第27页 参考文献+Thanks
根据Kvist的说法，在我们星球的历史过程中，吸血行为可能反复独立的进化了可能多达100次。吸血生物没有共同的祖先，因为这种行为在鸟类、蝙蝠、昆虫、鱼类和其他动物群体中独立出现——这证明了它的进化价值。