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基因转移新规律的发现或有助于防止抗生素抗性的扩散

时间:2018-08-23 16:37  来源:科普所   作者:李楠 编译   点击:


 

与其他的生物体不同,细菌可以从它们的环境中摄入遗传物质。这种交换基因的能力使得它们可以获得新的特征,诸如不同的代谢途径,致病基因和抗生素抗性。

 

对于基因转移的复杂机制的深入理解可能是防止全球性抗生素耐药性泛滥的关键环节。最近,科学发现揭示了其中一系列新的规律,使人们对这一复杂机制的理解又进了一步。

 

不一样的细菌基因组

 

细菌是人类永恒而且无处不在的伙伴。每一个表面上都有大量的细菌在游动,它们的总生物量比整个人类的数量还要大不止一千倍。

 

没有细菌的话,人类很难长期生存。是它们使得我们的行星适宜生存,也是它们使得营养物质可以重归土壤。没有微生物的地球注定是一场噩梦。然而,独特的进化过程允许细菌在其他生命形式无法生存的环境中生存,这也使得它们有时对人类健康有害。

 

不像人类的基因组,在个体的整个生命历程中保持相对的纯粹,细菌经常获得新的遗传物质。在你读这篇文章的时候,你身边的某些细菌正在发生改变。

 

人类的遗传物质是被细胞核的保护膜包裹起来的,而细菌是没有这种细胞结构的。通过一种叫做水平基因转移(HGT)的现象,一个细菌个体可以获得多达60%的基因组。在这种现象中,只需要一步,大量的DNA就可以完成交换和替换。

 

一个难题

 

HGT的神秘之处在于,它切割和改变DNA的过程乍一看似乎是偶然发生的,然而HGT最常发生在近亲物种之间。这是为什么呢?

 

水平基因转移有几种不同的方式。每一种都可以归结为一点点被摄入细菌的外源DNA,本来只是漂浮在细胞自身的DNA之外,却阴错阳差的被嵌入了染色体里面。无论这段外源DNA是如何进入细胞的,它都被包含在受体细胞的基因组中了。没有任何基因是免疫的。

 

故事是不是太过简单了?就是这么简单。含有新DNA的细菌将要面对自然选择,它需要跟其他本土微生物去竞争资源。如果外源DNA包含有益的基因,那就意味着细胞获得了新的能力,比如安然的度过下一次抗生素灭杀。

 

然而,生物学很少这么简单。其实,亲缘较近的细菌趋向于频繁的交换基因,其频率远超我们的预期。令人感觉惊讶的是,在任何环境中最可能贡献基因的菌种却通常不是近亲。一克泥土中含有18000个单细菌的基因组。这表明,某些与距离无关的因素决定了基因转移的成功与否。

 

某些规律

 

最近发现的一类很短,但是高度重复的序列,即体系结构序列(AIMS),对于细菌DNA的复制和分离作用十分核心。如果供体和受体细菌的基因组之间AIMS序列匹配度较高,这种DNA的移动就能得到保持;反之则不然。这就是新发现的基因转移规律。

 

在自然界中,外源的DNA像雨点般被大量插入一个细菌的染色体。而AIMS序列就像一把神奇的雨伞,只允许与之匹配的DNA嵌入染色体中。逆序排列(在某些随机事件中,一个DNA大片段被转过来面对相反的方向)和细菌染色体中HGT的模式表明,自然选择已经将那些与不匹配的AIMS发生过HGT的细菌过滤掉了。

 

值得一提的是,AIMS并不是一个硬性障碍,而是对HGT的一种约束,它积极地促进了近亲物种之间的基因转移。虽然,错误的AIMS可能会给DNA复制和分离等重要过程带来问题,但是有些新获得的基因会改变细胞中的游戏规则,比如抗生素抗性基因,即使AIMS不匹配,也不太可能被过滤掉。就像生物学中的许多情况一样,基于AIMS的这些规律只是一道更复杂谜题中的一部分。

 

 

让它如我们所愿的工作

 

质粒是漂浮在细菌细胞中的微小、环形、双链DNA,其复制独立于细菌染色体。这使得它们不会受到AIMS相关约束的限制,可以更自由的进行基因转移而无需嵌入染色体。这是新的DNA进入细胞的一种途径。

 

质粒上经常携带抗生素抗性基因。如果能想办法使这些质粒更难被环境中的细菌接受,也许就能像限制细菌染色体之间的基因转移一样限制它们的传播。

 

一个思路是开发某种遗传工具,迫使质粒完全嵌入染色体。这将同时降低这些质粒的流动性,并使它们受到染色体的约束。例如,可以在高风险区域添加一个质粒固定序列,以减少一组多药耐药菌(如ESKAPE病原体)的质粒基因转移。

 

这种设想一旦实现,未来就可以阻止那些令人担心的基因扩散,无论是抗生素抗性基因还是致病性基因。

 

 
 

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