科学家发现细菌抗性产生新机制，揭开“超级细菌”的进化之谜！

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有一种说法是，仅亚历山大·弗莱明无意间发现的青霉素，就得以让整个人类的寿命从45岁提高到60岁。足以见青霉素在人类医学史上的重要地位。

也正是从青霉素被发现何大规模使用开始，细菌和人类之间就展开了一场你死我活的“军备竞赛”。抗生素的种类越来越多，而细菌耐药性也越来越强。如今，不断出现的超级细菌，已经使得人类目前拥有的史上最强抗生素“万古霉素”，都无可奈何。

如果抗生素都杀不死细菌了，那无异于将人类与细菌的斗争，拉回到青霉素诞生之前的“原始时代”。

图 | 抗生素（来源：Fahroni/Shutterstock.com）

人们认为超级细菌的出现，是因为细菌惊人的进化速度，能够快速适应多变的生存环境。但究竟什么样的进化机制，使得细菌能够如此高效率地获得抗生素抗性？

10月12日，《科学》杂志发表重磅文章，来自新加坡国立大学医学院（NUS Medicine）和英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）的研究人员揭示，当噬菌体感染细菌时，会通过一种新的基因转导的方式，在细菌与细菌之间大规模转移DNA。正是这一过程，大大加速了细菌的进化速度，从而导致和加速细菌抗生素耐药性的出现，以及新的致病菌株出现。

这是迄今为止发现的能够以高频率转移大片段DNA的基因转导机制，也是60年来研究人员首次发现新的遗传转导机制，被称为横向转导（lateral transduction）。

在此之前，科学家们已知的两种遗传转导机制，是美国科学家Joshua Lederberg所发现的广义转导和特异性转导。60多年前，Lederber发现细菌之间可以交换基因，并因此获得1958年的诺贝尔生理或医学奖（获诺奖的时候，Lederberg年仅33岁）。

所谓转导，就是通过病毒或病毒载体将外源DNA引入细胞的过程。其中最有代表性的例子是DNA从一种细菌到另一种细菌的转移。

图 | 噬菌体（来源：Medical News Today）

当噬菌体（一种专门感染细菌的病毒）感染细菌细胞时，它通常以两种方式之一进行繁殖：一种是裂解循环，也就是噬菌体利用宿主细胞DNA的复制、转录和翻译的机会，也复制大量自己的DNA或RNA，以及蛋白质外壳，然后裂解宿主细胞，导致新噬菌体颗粒的释放；第二种方式是溶原性循环，也就是噬菌体DNA整合到宿主基因组中，并与宿主基因组一起复制。在溶原性循环中，某些刺激可以激发噬菌体DNA将其自身切割出宿主基因组，与蛋白质组装成新的噬菌体颗粒，成熟并裂解宿主细胞。

无论是裂解循环，还是溶原性循环，释放的噬菌体都可以继续感染其他细菌，当再次感染新的细菌时，就有可能携带包括来自上一个宿主细胞的部分DNA。如果这种转导过程，是噬菌体偶然错误发生的，称之为广义转导；如果是只转移特定基因，则称之为特异性转导。这两种机制一直以来都是细菌遗传转导的唯二机制。

而这次，由新加坡国立大学医学院助理教授John Chen领导的研究团队发现，在噬菌体感染金黄色葡萄球菌的最后阶段，并不会立刻从宿主的基因组中切除。当噬菌体在它们还是宿主基因组的一部分时就开始了DNA复制，从而形成了多个整合的噬菌体基因组。此时这些仍整合在宿主染色体中的被扩增噬菌体DNA，开始启动蛋白质外壳包装，并完成脱离。而这也就意味着相邻的宿主DNA也会被包装在后代噬菌体内，并随之进入下一个细菌。

（来源：irishtimes.com）

研究人员将这种独特的转导形式，称之为横向转导。John Chen表示，“横向转导的发现，将人们对可移动遗传元件的概念，从DNA提升到基因组层面。横向转导通过将部分基因组转化为超移动性平台，并能够以极高的频率传递。”

这种高效的基因转移模式，有助于解释细菌的快速进化，比如对多种抗生素耐药的细菌菌株的进化。横向转导的发现，更加证明了基因转导对于微生物进化的驱动影响，也揭开了各种致病耐药细菌高速高效进化的深层机制。

我们也希望对细菌进化机制的进一步了解，能够帮助人们更好地解决可怕的抗生素耐药问题。

-End-

编辑：王新凯
参考：
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181011143101.htm

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