Articles / 12月 22, 2021

ヨーロッパ産薬用ヒルHirudo medicinalis（Annelida.Critellata.Hirudiniformes）のゲノムドラフトを公開。 Clitellata, Hirudiniformes) with emphasis on anticoagulants

アセンブリ統計とBUSCO解析

Hirudo medicinalis ROMIZI 11733のドラフトゲノムは、176スパンの19929スキャフォールドにアセンブリされました。96 Mbps、カバレッジ中央値146.78×、N50スコア50,382 bps、L50スコア772であった（ゲノムドラフト配列の全統計はSupplement File 1に掲載）。 BUSCO ver. 4.0.526 を実行し、ゲノムの完全性を評価しました。予測されるタンパク質とmetazoa_odb10との比較解析の結果、完全性スコアは94.2%（90.0%完全＋4.2%断片化）となりました。

アセンブリサイズは推定ゲノムサイズ（230Mbps；http://genomesize.com）の78.67%に相当しました。 MAKER27による2パスアノテーションの結果、35,166個の予測タンパク質と780個のスプライスバリアントが得られた。 tRNAscan-SE28により、合計429のtRNA遺伝子と、さらに116の偽遺伝子が予測された。 Infernal29を用いると、さらに535の非コードRNA遺伝子／モチーフが予測され、これには64のrRNA遺伝子と316のマイクロRNAが含まれていた。 RepeatModeler30により、ゲノム中の反復配列は24.71%（インタースパースドリピート14.43%、シンプルリピート10.28%）と推定され、最も多いユニットはunclassified（6.14%）であった。すべてのアノテーションファイルはhttps://doi.org/10.5281/zenodo.3555585に寄託されている（最終アクセスは2020年1月20日）。生リードおよびアセンブルした配列は、研究アクセッションPRJEB35865でEuropean Nucleotide Archive（ENA）に寄託されている。

ヒル抗凝固剤、コピー数およびタンデムリピート

合計、ヒル由来タンパク質で抗血栓に関する機能が十分に特徴付けられる18種類に対してBLASTpヒットする（1E-5に優れる）遺伝子生成物がヒルズメディスゲノムから発見された（Table 1）。これらは、エグリンC、デスタビラーゼI、ギランテン、ヒル由来トリプターゼ阻害剤（LDTI）、グアメリン、シスタチン、ヒルディン、ヒルディン様因子3、フィコリン、カザル型セリンプロテアーゼ阻害剤（セルピン）、C型レクチン、マニラーゼ、bdellin、ピグアメリン、アンチスタシン、bdellastasin、レファキシンおよび未確認トロンビニン阻害剤であった。表1には、H. medicinalisゲノムからのトップヒットを、3つのグローバルデータベースに対するヒット、ゲノム全体の遺伝子のコピー数、シグナルペプチドの有無とともに示した。

18の推定抗凝固物質のうち7つは、我々のデータ全体で1コピーで発生している（表1）；ゲノムの未シークエンス部分には、より多くのコピーが存在する可能性がまだあることに注意されたい。これらは、ピグアメリン、ヒルジン、ギランテン、ヒルジン様因子3、LDTI、未同定のトロンビンインヒビター、シスタチンである。最もコピー数が多かったのはエグリンCとデスタビラーゼで、前者は足場に分散しているように見えるが（7つのコピーが6つの異なる足場に存在する）、後者は同じ足場に3つのコピーと別の足場に2つのコピーを含んでいた。

今回対象としたほとんどの抗凝固剤はドラフトゲノムで互いに隣接して配置されていないが、次のタンパク質は二つ以上のコピーとしてタンデムアレーで発生していると思われる。 C型レクチン（コピー間でエクソンとイントロンのサイズが強く保存されている）、グアメリン（コピー間でエクソンとイントロンのサイズが低く保存されている）、カザール型セリンプロテアーゼ阻害剤（コピー間でエクソンとイントロンのサイズが低く保存されている）、bdellin（エクソンサイズは比較的保存されているがイントロンサイズはコピー間で異なっている）である。さらに、LDTIとbdellinの3つのタンデムコピーはscaffold 209471上で互いに隣接している。

その他の生理活性ペプチド

既知のヒル由来の抗凝固因子に対するヒットに加え、血液供給生物から分離した227種類の生理活性物質に対する1，176のヒットがH. medicinalisゲノムから227種類の生理活性物質に対する1,176件のヒットが得られた。これらのほとんどは機能および経路が不明であるため、ここでは抗凝固に関与することが示されているヒル以外の生理活性タンパク質にのみ焦点を当てることにする。凝固カスケードに悪影響を及ぼす23種類のタンパク質に対して、1E-5以上のロバストヒットを確認しました。これらには、トロンボスポンジモチーフを持つジスインテグリンとメタロプロテアーゼ（ADAMTS）、アピラーゼ、クニッツ型セリンプロテアーゼ阻害剤、フィブリノゲナーゼ、クリソプチン、ボロジャラシン、一酸化窒素（血管拡張剤）、アグルケチン、スナクレック、出血性メタロタンパク質酵素カウチアギン、バトロックススタチンが含まれる。トロンビン阻害剤（Lone Star tick Amblyomma americanum由来）、アネキシン、タブセリン、トロンビン阻害蛋白（Rhodnius prolixus由来）、蛇毒セリン蛋白、キモトリプシン、ブラジレンシン、カテプシンB、ジペトロガスチン、アケラーゼ、ハリキシン、アンチトロンビンIII（キングコブラ Ophiophagus hannah由来）。補足ファイル2には、これらのペプチドのヒットと、その相互BLASTヒット、シグナルペプチドの予測を示しています。相互BLASTヒットのいくつかは、Helobdella robustaゲノムの未注釈（すなわち、「仮説的タンパク質」または「未特性タンパク質」）遺伝子に対するものであり、マッチのアイデンティティに関する情報はほとんど推論できない。しかし、我々は、3つのグローバルデータベースで十分に注釈付けされた遺伝子に対する劣るヒット（それでも1E-5より優れている）も評価した。すべての利用可能な情報を評価した結果、以下のタンパク質産物のみがH. medicinalisゲノムに存在すると頑健に推論することができなかった（すなわち。 8367>

配列類似度とペアワイズアラインメント

H.メディシナリス由来の抗凝固関連タンパク質は、各々、配列類似度とペアワイズアラインメント

に基づき、H.メディシナリスゲノムに存在しないと推定された（すなわち、残りのタンパク質製品は全て存在している）：クリソプチン、一酸化窒素、トロンビン阻害剤（アンブリョンマ・アメリカノム由来）、キモトリプシン、ダイペロスチンおよびアチェラーゼ。 medicinalis由来の各抗凝固関連タンパク質について、その原型となるタンパク質とのアラインメントを図1（デスタビラーゼI、LDTI、ヒルジン、ヒルジン様因子3、bdellin）および補足ファイル3（eglin C、ギランテン、グアメリン、シスタチン、フィコリン、カザル型セルピン、C型レクチン、マニラーゼ、ピグアメリン、アンチスタシン、bdellastasinおよびトロンビン阻害剤）に提示した。なお、レファキシンに対してヒットしたH. medicinalisの配列は、相互BLASTしたところ、ヘメリトリンに対してはるかに優れたヒットを見つけ、さらにレファキシンのオーソログとはみなされなかった。

デスタビラーゼIについて、新たに得られた配列は、同じくヒルド・メディシナリス由来の既知の抗凝固剤（GenBankアクセッション番号AAA9614431）とアミノ酸が共有できる位置（つまり、ギャップ分を含まない場合）で78％の類似性を示すことがわかった。また、14個のシステイン残基の位置はすべて完全に保存されており、両蛋白質の間で類似したフォールディング構造を持つことが示唆された。 8367>

LDTIのアミノ酸アラインメントでは、新しい配列とHirudo medicinalis由来の典型的な配列（GenBankアクセッション番号AAB3376932）を含めて、2つの配列は99％の配列類似性を示し、6つのシステイン残基の位置が完全に保存されていることが示された。 8367>

今回新たに決定したヒルジン正体配列は、もともとHirudo verbana由来の典型的な配列（GenBank accession number APA2083333）と比較すると、ほぼ完全に保存（配列類似度99.9%）されていることが分かる。また、成熟ペプチドに存在する6つのシステイン残基の位置は完全に保存されている（シグナルペプチド領域にも2つのシステインが保存されている）。 8367>

メディシナリスゲノムから回収したbdellin配列は、メディシナリス由来の原型配列（GenBankアクセッション番号P0986534）と99.2％の配列類似性を示し、すべてのシステイン残基（n = 6）の位置は完全に保存されている。 8367>

エグリンCについては、原型配列（GenBank accession number 0905140 A35）と比較すると、新しい配列は99.9%の配列類似性を示している。

新たに取得したギランテンの配列は、グロッシフォニドヒルHaementeria ghilianii (de Filippi, 1849) 由来の典型的な配列（GenBank accession number AAB212336）と比較すると、32%の配列類似度しか示さなかった。配列間の親和性が低いことから、これらはオーソログ配列でない可能性がある。それにもかかわらず、新しい配列は成熟タンパク質に25個のシステイン残基を含み、これらのうち17個の位置はアラインメントで保存されている。グアメリンについては、Hirudo nipponia Whitman, 1886に由来する原型タンパク質（GenBankアクセッション番号AAD0944237）と67％の配列類似性を示している。アラインメントに存在する9つのシステイン残基の位置はすべて完全に保存されている。 8367>

シスタチンの新しい配列は、グロサイフォン類のTheromyzon tessulatum (Müller, 1774) 由来の原型となる配列 (GenBank accession number AAN2867938) と比較して57%の類似性を示し、システイン1つの位置は両者の配列間で保存されていることが示された。また、Ficolinについては、北米の薬用ヒルMacrobdella decora (Say, 1824)由来の典型的な配列（Minらによるデータセットから作成）と我々の新しい配列とのアミノ酸の共有位置の類似性は59%であった。 M. decora由来の配列に存在する3つのシステイン残基のうち2つは、新しい配列の同じ位置にも存在する。 8367>

新たに得られたKazal型セルピンは、Macrobdella decora由来の配列（Minら15が用いたデータセット）と比較すると、共有アミノ酸部位について26％の配列類似性を示すにとどまった。また、「典型的な」配列に存在する13個のシステイン残基のうち、12個は新しい配列で保存された位置を示している。 8367>

C型レクチンのアラインメントでは、M. decora由来の雛形配列との間に43％の配列類似性が存在することが示された（15参照）。原型配列には13個のシステイン残基が存在し、そのうち9個の位置は今回取得した配列でも保存されている。 8367>

マニラーゼについては、新しい配列と米国特許出願（番号2006 US 7.049.124 B1P09856）から得た、アジアの薬用ヒル Hirudinaria manillensis Lesson, 1842から抽出した配列との間で、共有アミノ酸残基の83%が同一であった。有名な話だが、マニラーゼはシステイン残基を全く含まないので、ヒルド・メディシナリス由来の配列も同様である。 8367>

トリプシン阻害剤ピグアメリンについて、今回決定した遺伝子産物は、もともとHirudo nipponia由来の典型的な配列（GenBankアクセッション番号P8149939）と46％の類似性を示している。原型配列は10個のシステイン残基を含んでおり、そのうち6個は新配列でも保存された位置にある。 8367>

アンチスタシンについては、我々の標本由来の配列は、Haementeria officinalis由来の典型的な配列（GenBank accession number P1535840）と36%の類似性を示した。また、原型配列に存在する21個のシステインのうち18個の位置が配列間で保存されていた（補足ファイル3J）。

bdellastasinのアライメントにおいて我々が新たに得た配列は、同じくヒルード・メディキナリスの原型変異体（GenBank accession number 1C9P41）と比較してほぼ完全に保存（共有アミノ酸部位での類似度99.9%）されていることが確認された。また、10個のシステインの位置は両配列間で完全に保存されている（補足ファイル3K）。

ここで典型的な抗凝固剤となる未知のトロンビン阻害剤は、もともとはヒルのPontobdella macrothela (Schmarda, 1861) から得られたものである（参照16）、BLASTによるHemadipid leech Haemadipsa sylvestris Blanchard, 1894の推定のトロンビン阻害剤のヒットに基づいている。その結果、Hirudo medicinalis由来の配列は、共有アミノ酸部位について28%の配列類似性しか示さなかったが、標的配列に存在する8つのシステイン残基のうち7つの位置は、新たに取得した配列で完全に保存されていた。興味深いことに、新規配列の中央部には27アミノ酸の大きな挿入が存在する。あるいは、これは原型配列の欠失である（補足ファイル3L）。

遺伝子樹

16種類のヒル由来推定抗凝固剤について、Wilkinsonらが提案した用語を使って、非根拠木のトポロジーを記述した42。 8367>

デスタビラーゼIの遺伝子樹（図2A）において、新たに取得した配列は、Hirudo medicinalis31の以前の配列決定作業から取得した典型配列といくつかの変種と、かなり低い支持（尤度ブートストラップ支持＝72％）ではあるが、一族を形成している。

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