アノフェレス進化の過程で変化したAPL1免疫因子の遺伝子コピー数と機能

Gene copy number and function of the APL1 immune factor changed during Anopheles evolution.

• Christian Mitri
• Emmanuel Bischoff
• Karin Eiglmeier
• Inge Holm
• Constentin Dieme
• Emma Brito-Fravallo
• Abbasali Raz
• Sedigheh Zakeri
• Mahdokht I K Nejad
• Navid D Djadid
• Kenneth D Vernick
• Michelle M Riehle

抄録

背景:

アジアのマラリア媒介動物Anopheles stephensiの最近のリファレンスゲノムのアセンブリーとアノテーションにより、ロイシンリッチリピート免疫因子APL1をコードする遺伝子が1つだけ検出されたが、Anopheles gambiaeとその兄弟であるAnopheles coluzziiでは、APL1因子は3つのパラログファミリーによってコードされている。An. stephensiにおける特異的なAPL1遺伝子の系統と生物学的機能については、まだ具体的に検討されていない。

BACKGROUND: The recent reference genome assembly and annotation of the Asian malaria vector Anopheles stephensi detected only one gene encoding the leucine-rich repeat immune factor APL1, while in the Anopheles gambiae and sibling Anopheles coluzzii, APL1 factors are encoded by a family of three paralogs. The phylogeny and biological function of the unique APL1 gene in An. stephensi have not yet been specifically examined.

方法:

APL1遺伝子座を手動でアノテーションし、計算で予測されたAn. stephensiの単一APL1遺伝子を確認した。系統図解析により、Anopheles内でのAPL1の進化を探索した。単一のAPL1遺伝子またはその類縁体は、それぞれAn. stephensiとAn. coluzziiでサイレンセーションされ、その後、蚊の生存解析、プラスモディウムの実験的感染と発現解析が行われた。

METHODS: The APL1 locus was manually annotated to confirm the computationally predicted single APL1 gene in An. stephensi. APL1 evolution within Anopheles was explored by phylogenomic analysis. The single or paralogous APL1 genes were silenced in An. stephensi and An. coluzzii, respectively, followed by mosquito survival analysis, experimental infection with Plasmodium and expression analysis.

結果:

APL1は、An. stephensiを含むほとんどのAnophelesに単一の祖先遺伝子として存在するが、Anopheles gambiae種複合体とAnopheles christyiのみを含むアフリカの系統では、3つのパラログにまで拡大している。An. stephensiのAPL1コピーをサイレンシングすると、蚊の死亡率が大幅に上昇することがわかった。APL1を欠失したAn. stephensiの死亡率の上昇は抗生物質治療によって救われたが、これは細菌による病理が死亡原因であることを示唆しており、特異的なAPL1遺伝子が宿主の生存に不可欠であることを示している。An. stephensiにおける成功したPlasmodiumの発生は、細菌による高い宿主死亡率からの保護のためのAPL1活性に依存している。対照的に、An. coluzziiにおける3つのAPL1パラログのすべてをサイレンシングしても、Plasmodium感染の有無にかかわらず、死亡率の上昇は見られなかった。単一のAn. stephensi APL1遺伝子の発現は、Imd免疫経路とToll免疫経路の両方によって制御されているが、2つのシグナル伝達経路は、拡張されたAPL1遺伝子座の異なるAPL1パラログを制御している。

RESULTS: APL1 is present as a single ancestral gene in most Anopheles including An. stephensi but has expanded to three paralogs in an African lineage that includes only the Anopheles gambiae species complex and Anopheles christyi. Silencing of the unique APL1 copy in An. stephensi results in significant mosquito mortality. Elevated mortality of APL1-depleted An. stephensi is rescued by antibiotic treatment, suggesting that pathology due to bacteria is the cause of mortality, and indicating that the unique APL1 gene is essential for host survival. Successful Plasmodium development in An. stephensi depends upon APL1 activity for protection from high host mortality due to bacteria. In contrast, silencing of all three APL1 paralogs in An. coluzzii does not result in elevated mortality, either with or without Plasmodium infection. Expression of the single An. stephensi APL1 gene is regulated by both the Imd and Toll immune pathways, while the two signaling pathways regulate different APL1 paralogs in the expanded APL1 locus.

結論:

APL1は、アフリカのAnophelesの1系統の中で、単一の祖先遺伝子から3つのパラログへと拡大していく過程で機能を失ったり、獲得したりしていた。その結果、APL1遺伝子の活性は、細菌の病理学的影響からの保護や耐性を付与することで、An. stephensiの長寿を促進していると考えられた。拡張されたAPL1遺伝子ファミリーの進化は、アフリカのAn. gambiae種複合体の人間を餌とするメンバーによって媒介されるマラリア感染の例外的なレベルに寄与する要因である可能性がある。

CONCLUSIONS: APL1 underwent loss and gain of functions concomitant with expansion from a single ancestral gene to three paralogs in one lineage of African Anopheles. We infer that activity of the unique APL1 gene promotes longevity in An. stephensi by conferring protection from or tolerance to an effect of bacterial pathology. The evolution of an expanded APL1 gene family could be a factor contributing to the exceptional levels of malaria transmission mediated by human-feeding members of the An. gambiae species complex in Africa.