科學家發現細菌抗性產生新機制，揭開「超級細菌」的進化之謎！

有一種說法是，僅亞歷山大·弗萊明無意間發現的青黴素，就得以讓整個人類的壽命從45歲提高到60歲。足以見青黴素在人類醫學史上的重要地位。

也正是從青黴素被發現何大規模使用開始，細菌和人類之間就展開了一場你死我活的「軍備競賽」。抗生素的種類越來越多，而細菌耐藥性也越來越強。如今，不斷出現的超級細菌，已經使得人類目前擁有的史上最強抗生素「萬古黴素」，都無可奈何。

如果抗生素都殺不死細菌了，那無異於將人類與細菌的鬥爭，拉回到青黴素誕生之前的「原始時代」。

圖 | 抗生素（來源：Fahroni/Shutterstock.com）

人們認為超級細菌的出現，是因為細菌驚人的進化速度，能夠快速適應多變的生存環境。但究竟什麼樣的進化機制，使得細菌能夠如此高效率地獲得抗生素抗性？

10月12日，《科學》雜誌發表重磅文章，來自新加坡國立大學醫學院（NUS Medicine）和英國格拉斯哥大學（University of Glasgow）的研究人員揭示，當噬菌體感染細菌時，會通過一種新的基因轉導的方式，在細菌與細菌之間大規模轉移DNA。正是這一過程，大大加速了細菌的進化速度，從而導致和加速細菌抗生素耐藥性的出現，以及新的致病菌株出現。

這是迄今為止發現的能夠以高頻率轉移大片段DNA的基因轉導機制，也是60年來研究人員首次發現新的遺傳轉導機制，被稱為橫向轉導（lateral transduction）。

在此之前，科學家們已知的兩種遺傳轉導機制，是美國科學家Joshua Lederberg所發現的廣義轉導和特異性轉導。60多年前，Lederber發現細菌之間可以交換基因，並因此獲得1958年的諾貝爾生理或醫學獎（獲諾獎的時候，Lederberg年僅33歲）。

所謂轉導，就是通過病毒或病毒載體將外源DNA引入細胞的過程。其中最有代表性的例子是DNA從一種細菌到另一種細菌的轉移。

圖 | 噬菌體（來源：Medical News Today）

當噬菌體（一種專門感染細菌的病毒）感染細菌細胞時，它通常以兩種方式之一進行繁殖：一種是裂解循環，也就是噬菌體利用宿主細胞DNA的複製、轉錄和翻譯的機會，也複製大量自己的DNA或RNA，以及蛋白質外殼，然後裂解宿主細胞，導致新噬菌體顆粒的釋放；第二種方式是溶原性循環，也就是噬菌體DNA整合到宿主基因組中，並與宿主基因組一起複制。在溶原性循環中，某些刺激可以激發噬菌體DNA將其自身切割出宿主基因組，與蛋白質組裝成新的噬菌體顆粒，成熟並裂解宿主細胞。

無論是裂解循環，還是溶原性循環，釋放的噬菌體都可以繼續感染其他細菌，當再次感染新的細菌時，就有可能攜帶包括來自上一個宿主細胞的部分DNA。如果這種轉導過程，是噬菌體偶然錯誤發生的，稱之為廣義轉導；如果是只轉移特定基因，則稱之為特異性轉導。這兩種機制一直以來都是細菌遺傳轉導的唯二機制。

而這次，由新加坡國立大學醫學院助理教授John Chen領導的研究團隊發現，在噬菌體感染金黃色葡萄球菌的最後階段，並不會立刻從宿主的基因組中切除。當噬菌體在它們還是宿主基因組的一部分時就開始了DNA複製，從而形成了多個整合的噬菌體基因組。此時這些仍整合在宿主染色體中的被擴增噬菌體DNA，開始啟動蛋白質外殼包裝，並完成脫離。而這也就意味著相鄰的宿主DNA也會被包裝在後代噬菌體內，並隨之進入下一個細菌。

（來源：irishtimes.com）

研究人員將這種獨特的轉導形式，稱之為橫向轉導。John Chen表示，「橫向轉導的發現，將人們對可移動遺傳元件的概念，從DNA提升到基因組層面。橫向轉導通過將部分基因組轉化為超移動性平台，並能夠以極高的頻率傳遞。」

這種高效的基因轉移模式，有助於解釋細菌的快速進化，比如對多種抗生素耐葯的細菌菌株的進化。橫向轉導的發現，更加證明了基因轉導對於微生物進化的驅動影響，也揭開了各種致病耐葯細菌高速高效進化的深層機制。

我們也希望對細菌進化機制的進一步了解，能夠幫助人們更好地解決可怕的抗生素耐葯問題。

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