背 景
在过去五千年的大部分时间里，疟疾一直是世界许多地区早期死亡的主要原因。因此它是迄今为止对人类的基因组施加选择性压力最强大的力量。现在严重和复杂疟疾的风险变异中约有三分之一是由加性宿主遗传效应 (Additive host genetic effects)所解释。目前已经确定了许多与疟疾保护相关的个体变异 (Individual variants)，几乎所有变异都与红细胞的结构或功能有关，包括镰刀状细胞特征、α-地中海贫血、G6PD (6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏症)，以及主要的红细胞血型变异。
然而最近随着技术和实验设计的改进，还发现了其它变异，包括丹徒血型变异 (Dantu blood group variant)、红细胞膜蛋白ATP2B4基因的多态性，以及与免疫反应有关的几种变异。描述这些基因是如何发挥作用的，最终可以为对抗疟疾的新治疗方法提供信息。但总的来说，这些变异只能解释疟疾抵抗力 (Malaria resistance)的一小部分可遗传成分，这突出了其复杂的基因结构和继续研究的必要性。
恶性疟原虫 (P. falciparum)生命周期中，在人体宿主内的血液期 (Blood-stage)。
在红细胞(Red blood cell, RBC)中，存在起重要作用的疟疾保护性变异。
Kariuki, S. N. & Williams, T. N. Human genetics and malaria resistance. Hum. Genet. 139, 801-811. 2020
如上图所示，所有疟原虫 (一类单细胞、寄生性的原生动物)的繁殖都涉及在蚊子中的性周期和在人类中的无性周期。寄生虫首先感染肝脏，然后在红细胞 (RBC)中形成。临床症状的血液阶段包括一轮又一轮的寄生虫繁殖，包括裂殖子侵入红细胞，然后成熟为滋养体，然后分裂，最终从红细胞破裂，释放出新鲜的裂殖子，迅速感染新的红细胞。无性周期导致血液中的寄生虫呈指数增长，并在人类宿主中观察到疟疾的致病特征。寄生虫能够通过在深层毛细血管中的隔离来逃避宿主的免疫反应。寄生虫生命周期中有多个时空位点影响了宿主的遗传变异，迄今为止描述的大多数疟疾保护性变异对红细胞的结构和功能有各种重要影响。宿主的遗传因素可以赋予对疟疾的抵抗力。
那么这就引发了一个问题，即这是否也会导致寄生虫种群的进化适应。针对这个问题，牛津大学人类遗传学中心的Gavin Band等人，于2021年12月9日在Nature上发表了一篇研究型文章，发现了镰刀状血红蛋白对疟疾的保护作用取决于寄生虫的基因型。
5096例严重疟疾病例中恶性疟原虫（Pf）序列数据的生成和处理。流程图显示了从全DNA和选择性全基因组扩增（SWGA）Pipeline（顶部）的初始选择，到仔细策划的分析数据集（底部）的样本处理。每个框中的数字显示冈比亚（蓝色）和肯尼亚（橙色）严重病例的数目，括 中显示了多次测序的个体数量。在数据的整理和质量控制（大方框）之后，可用的Pf数据与两个现有的人类基因型数据集相交。组合的疟原虫 (pf)/人类输入数据集有3346个样本，组合pf/人类直接分型数据集包含4071个个体。这两个数据集有很大的重叠；825个个体出现在直接输入的数据中，而不是插补的数据中，并用于重复。
文章发现宿主中的镰状血红蛋白 (Sickle haemoglobin, HbS. 即来自rs334变异的HBB基因)与寄生虫基因组的三个区域之间存在着强烈的关联，这一关联不能用种群结构或其它协变量来解释，并且在其它样本中得到了相同的结果。HbS相关等位基因 (HbS-associated alleles)包括：① 2 染色体上酰基辅酶A合成酶家族成员 (acyl-CoA synthetase family member) PfACS8基因的非同义变异；② 2 染色体第二区域；③ 11 染色体上含有结构变异的区域。分别对应于下图中，人类rs334变异通过虚线指向的疟原虫基因组的3个区域。
图1a | 恶性疟原虫基因组的三个区域与HbS相关。
恶性疟原虫的变异按染色体分组 (14个染色体)，人类变异按包含类别 (Inclusion category )分组。虚线和变异注释反映了BF>10e6的成对测试 (Pairwise tests)；仅对每个关联区域对中的顶部信 进行注释。
a. 图中的点显示了每种恶性疟原虫变异与人类基因型（顶行），或每种被包含的人类变异与恶性疟原虫基因型（底行）之间存在关联的证据。关联证据是通过平均每个变异（点）和其它生物体中所有变异之间的成对关联的证据来总结的，即 “summarized by averaging the evidence for pairwise association (Bayes factor (BF) for test in n?=?3,346 samples) between each variant (points) and all variants in the other organism against which it was tested (log10 (BFavg))”。
图1b | 恶性疟原虫基因组中Pfsa1、Pfsa2和Pfsa3区域与HbS的关联细节。改变蛋白质编码序列的变体用加 表示，其它变异用圆圈表示。图中的点显示了每个区域的变异与HbS存在相关性的证据。结果通过逻辑回归进行计算，包括一个“indicator of country”作为协变量，并假设一个加性关联模型 (Additive model of association)，HbS基因型基于之前描述的全基因组基因型分配 (Imputation from genome-wide genotypes)。混合 (可能指多等位基因)和缺失的恶性疟原虫基因型被排除在计算之外。图的下方，对区域基因进行注释。在PlasmoDB注释中，基因具有指定名称的地方给出了基因符 （在相关名称中删除“PF3D7_”之后）；包含最相关变异的3个基因以红色显示。
HbS的估计相对风险因Pfsa基因型而异
a. 冈比亚和肯尼亚的重度疟疾病例数，HbS基因型（列），Pfsa1、Pfsa2和Pfsa3基因座（行）。与HbS正相关的Pfsa等位基因用+表示，与HbS负相关的Pfsa等位基因用-表示。底部一行显示了至少1个基因座的混合恶性疟原虫基因型样本。第一行表示来自同一人群的人群控制样本中HbS基因型的计数。
b. 带有Pfsa基因型的重度疟疾患者HbS的估计相对风险。使用多项式逻辑回归模型估计相对风险，以对照组为基线结果，并假设完全显性（即HbAS和HbSS基因型与寄生虫基因型具有相同的关联）；”Indicator of country”作为协变量纳入。圆圈反映后验平均值估计值 (Posterior mean estimates)，水平线反映相应的95%可信区间（CI）。基于少于5名HbAS或HbSS基因型个体的估计值用较小的圆圈表示。为了减少过度拟合，我们使用Stan对模型进行拟合，假设每个参数具有轻微的正则化高斯先验，对数优势标度上的平均值为零，标准偏差为2（即相对风险标度上95%的质量介于1/50和50之间），参数间相关性设置为0.5。
不同人群中Pfsa和HbS等位基因频率之间的关系
a. 条形图显示了每个国家严重疟疾病例中每个Pfsa+等位基因的估计频率。b. 全球人群中每个Pfsa+等位基因的估计频率来自MalariaGEN Pf6数据库，其中包含2008-2015年期间收集的样本。仅显示了至少有50个样本的国家（不包括哥伦比亚、秘鲁、贝宁、尼日利亚、埃塞俄比亚、马达加斯加和乌干达）。c. 估计的人群水平Pfsa+等位基因频率（如a、b所示）与MalariaGEN Pf6人群中的HbS等位基因频率（如b所示；所选人群也被标记）。在排除混合或缺失的基因型后，根据相关基因型计算Pfsa+等位基因频率。HbS等位基因频率是根据疟疾地图集项目 (Malaria Atlas Project)之前公布的每个国家的频率估计值计算出来的，方法是根据样本量加权平均MalariaGEN Pf6采样点的位置。DR, 东帝汶；PNG, 巴布亚新几内亚。
HbS相关变异体显示了严重恶性疟原虫感染中染色体之间的极端相关性
冈比亚（上图）和肯尼亚（下图）不同恶性疟原虫染色体上的两对变异之间绝对基因型相关性（|r|）的经验分布。为了避免捕捉HbS相关性的直接影响，在排除携带HbS的个体后计算相关值。图中显示了估计的次要等位基因 (Minor allele)频率至少为5%的所有双等位基因变异对，以及至少75%具有非缺失和非混合基因型的样本对（冈比亚总计16487个变异，肯尼亚总计13766个变异）。颜色表示与人群相关的Pfsa区域中HbS相关变异体（红色）与具有CRT K76T突变的LD (linkage disequilibrium, 连锁不平衡)变异体之间的比较子集。标记点表示在将相关变异分组到区域后，在每个群体中显示最高和第二高成对相关性的变异对；为此，区域被定义为包括附近所有具有次要等位基因频率的相关变异体对≥5%和r2?>?0.05，这样在给定区域边界10 kb范围内不存在其它这类变异对。
总 结
镰状血红蛋白 (Sickle haemoglobin, HbS. 即来自rs334变异的HBB基因)与寄生虫基因组的三个区域之间存在着强烈的关联。这些等位基因具有很强的连锁不平衡性 (Linkage disequilibrium)，其频率与人群中HbS的频率存在共变 (Covary)，尤其是在非洲，比世界其它地区更为常见。根据病例与人群对照的比较，HbS对严重疟疾的保护作用的估计值 (Estimated protective effect)，因这3个位点的寄生虫基因型而大不相同。这些发现为研究寄生虫基因组中HbS相关多态性的生物学和流行病学意义，以及导致其在非洲恶性疟原虫种群中的高频率和强连锁不平衡的进化力量开辟了一条新途径。
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