新的基因轉移機制有助於阻止抗生素耐藥性的傳播

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與其他的有機體不同，細菌可以從周圍的環境中獲取遺傳物質。這種交換基因的能力能夠使其獲取新的特性，比如不同的代謝途徑、致病基因或者抗生素耐藥性。

更好地理解細菌基因轉移的複雜機制也許是對抗全球細菌耐藥性威脅的關鍵。我們的最新研究揭示了一套新的基因轉移規則，讓我們離這一目標更近了一步。

細菌的基因組與我們有何不同

細菌，是我們最親密的夥伴，它們無所不在。成群的細菌在每個物品的表面搖擺，它們的總量比世界上所有人口加起來的一千倍還多。

沒有了細菌，我們甚至活不了多久。讓我們的星球變得適宜居住，把土地變得肥沃，這些都是細菌的功勞。沒有微生物的地球將會是噩夢一場。可是，進化過程能夠讓細菌在其他生物無法適應的環境下存活，也讓它們變得不利於人類健康。

人類的基因組在一生中都能保持很高的純度，但細菌不同，它們能夠頻繁地獲得新遺傳物質。在你閱讀本文的時間，你身邊的一些細菌就已經發生了改變。

我們自己的遺傳物質被很好地保護在細胞核內，細菌就沒有這樣的保護結構。單個細菌可以通過一種叫做「基因水平轉移」（horizontal gene transfer, HGT）的現象在短時間內獲得自身基因組60%量的基因。這樣一個步驟就能交換大量的基因，甚至完全替換自身基因組。

一道難題

通過HGT切斷並改變DNA的過程看起來雜亂無章，卻最常發生在近親物種之間，這種矛盾成了圍繞在HGT周圍的謎團。

基因水平轉移可以通過幾種途徑發生。每種過程都能總結為細菌細胞攝取了一小段DNA，這一小段DNA與細胞自身的DNA貼在一起，再意外地成為了細胞染色體的一部分。不論這段DNA最終的結局如何，被攝入的DNA總能成為受體細胞基因組的一部分，而不會發生免疫排斥反應。

如果你覺得過程簡單，那就對了。獲得新基因的細胞在與周圍的其他微生物競爭資源時將面臨自然選擇。如果新的DNA包含有益基因，那就意味著細胞獲得了新的特性，比如能夠在下一次的抗生素災難中倖存下來。

然而，生物學往往並不簡單。相反，關係越密切的細菌之間，越出人意料地頻繁交換基因。這令人驚訝的部分原因是，任何環境中最有可能的基因捐獻者都不會是近親。在一克土壤中能夠發現18000種獨立的細菌基因組。這意味著基因轉移的成功決不僅僅取決於距離上的接近。

有個主意是利用基因工具把質粒與染色體融為一體。這也能同時減少質粒的活動性，並讓其受到染色體功能的約束。比如，在一組致病多重耐葯菌（稱為ESKAPE病原體，代表六種著名的耐葯菌）中，把一種「質粒抑制盒」部署到高危區域來減少質粒基因的轉移。

基因交換的規則

我們研究的核心序列是一些短片段的重複序列，稱為結構傳授序列（Architecture IMparting Sequences, AIMS）。AIMS在細菌的DNA複製及DNA分離中起到重要作用。我們發現如果細菌捐獻者和接受者之間的AIMS能很好地匹配，則它們的基因組之間的DNA轉移就能很好地維持。而如果它們不能很好地匹配、有效地建立「轉移規則」，結果則相反。

在自然條件下，接受到的DNA會像雨點般落在受體細菌的染色體上。而受體細胞的AIMS有點兒像一把破洞的雨傘，只能讓AIMS相匹配的DNA穿過並進入染色體。細菌染色體的翻轉模式（一種隨機事件，使一大段DNA掉頭面向相反的方向）和HGT則提示自然選擇已經濾除掉了不相容的AIMS之間發生HGT的細菌。

值得說明的是，AIMS並不是一個強力的阻隔，而更像是對關係密切的細菌之間積極地進行HGT的一種限制。我們的結果提示，錯誤的AIMS可能導致重要系統的錯誤，比如DNA的複製和分離出現問題。細胞新獲得的基因像是規則的改變者，比如抗生素耐藥性基因，如果AIMS不匹配也不容易被剔除。與生物學中大部分的事一樣，AIMS所遵循的規則的背後也會是一個更複雜的難題。

讓它為我們所用

質粒是細胞質中的一小段環形雙鏈DNA，它獨立於細菌的染色體進行複製。這讓它們在基因轉移時可以免受AIMS的約束，因為它們並不會進入細菌的染色體。這是新基因在細胞內落戶的另一種形式。

它們也常常搭載著抗生素耐藥性基因。如果我們能夠找到讓環境中的細菌對這些質粒更不耐受的方法，也許我們就能夠限制住耐藥性在細菌之間的傳播，就像AIMS限制細菌染色體基因的轉移一樣。

如果我們能夠這樣做，也許我們就能夠阻止我們畏懼的細菌基因的傳播，比如耐藥性基因和致命性基因。

作者簡介：

作者海瑟·亨德里克森 梅西大學分子生物科學高級講師

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