病毒网络有助于加快细菌进化？

一项新发现的机制显示，病毒在细菌之间穿梭的频率可能达到以往的1000倍，并可能成为细胞进化的主要力量。细菌拥有潜移默化的进化优势：它们在自己的网络里可以用来交换生存方案。活病毒网络，可以在不相关细胞之间传播遗传信息。这一传播过程被称为“转导（transduction）”，是细菌绕过垂直遗传水平地共享信息的方法之一，可以使自然选择缓慢形成的基因瞬间进入一个新种群。科学家们了解到转导网络一定会在几个世纪的时间里影响细菌进化，并推测由转导网络引发的影响在时间上受到一定限制，因为传导本身就很罕见。

博科园-科学科普：然而发表在《科学》期刊上的一项研究发现了新转导机制，这种机制发生频率要比以往高出1000倍，可能会加速细菌进化到类似程度。事实上转导或许是细菌进化的中心力量。新加坡国立大学(National University of Singapore)微生物学、免疫学助理教授和本次研究的主要合著者之一约翰?陈(John Chen)表示：我们假设转导发生速率类似于拨号上网，但在某些情况下，转导率似乎更接近宽频。研究结果表明，转导不仅使基因水平转移更为普遍，而且这一细菌网络可能是由细菌和噬菌体病毒共同选择形成。

上图描绘了噬菌体(红色)病毒不断攻击细菌细胞，科学家们发现，这种病毒在细菌之间转移基因的频率比人们了解的更快，对病毒和细菌进化大有益处。图片版权：Design_Cells

噬菌体一旦落在细菌上，就会穿透细胞膜，将DNA注入细胞。从那里病毒就像劫持了宿主的细胞机器，不停复制自己，而后感染其他细菌。在极少数情况下，细菌DNA片段被隐藏在噬菌体中，然后被添加到被感染细菌的基因组，这种遗传转移过程被称为一般转导。事实上噬菌体也可以做出另一种选择：将自身基因在不经意间注入细菌的基因组，然后慢慢等待。噬菌体外源DNA在激活前可延续数代。科学家推测大约一半细菌都会含有噬菌体，许多细菌不止含有一个噬菌体。

新加坡国立大学的微生物学家约翰?陈领导了这项研究，并发现了基因水平转移的新机制。图片：Courtesy of John Chen/National University of Singapore

噬菌体DNA片段一旦被激活，就会从细菌基因组中分离出来，进行复制，然后将其DNA打包成噬菌体。如果在分离过程中会出现错误，一小部分细菌基因组会被复制并与噬菌体一起打包。当噬菌体感染另一个宿主时，一小部分细菌DNA会通过转导过程整合到新宿主的基因组中。一般的转导事件发生概率极低，每百万个噬菌体中只会出现一个案例，而特殊转导则更加罕见。尽管如此，偶发事件在细菌进化的时间尺度上大有裨益。但是一些细菌适应环境变化的速度让约翰·陈感到困惑，于是他研究了臭名昭著的金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)，它对抗生素的耐药性进化非常快。

葡萄球菌的耐药菌株几乎总是在引进新药后的一两年内出现。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)就是一个著名的例子：耐药菌株于20世纪50年代抗生素甲氧西林问世后不久就出现，现在耐药金黄色葡萄球菌在全世界的医院里都是一个祸害。金黄色葡萄球菌适应速度非常快，我觉得其中有很多值得深究的问题。已知的传导机制解释对我来说并让人满意，那只是一种直觉，不属于科学结论。研究人员观察金黄色葡萄球菌噬菌体产生的进程时，注意到一个奇怪的差异：似乎噬菌体DNA在从宿主基因组中提取任何病毒DNA之前就已经被复制和打包好了。

如果前噬菌体DNA被复制和塞进病毒胶囊，同时嵌入到宿主基因组中，此时疏忽相邻块细菌DNA也被复制和包裹在噬菌体中的几率增大，这也极大地增加了水平基因转移至其他细菌物种的几率。这种延迟切除机制曾在人工合成的突变体中被发现，但从未在自然界中发现。佩纳德斯和陈不仅证明了这种新的转导机制在金黄色葡萄球菌中自然发生，而且它的频率是其他转导模式的1000倍。预期结果与现实相比低了很多，当把数据拿给一些同事看，他们难以置信。“横向转导”也捕获了比一般和特殊转导更大的基因组，我们现在知道，更大的基因组块属于超移动性。

格拉斯哥大学的细菌学家乔斯·佩纳德斯注意到，在葡萄球菌中产生噬菌体的时间似乎有问题，这有助于揭示细菌中存在的横向转导。图片：Courtesy of José Penadés

这些结果表明，在细菌进化过程中，转导比我们之前意识到的要强大得多，多伦多大学微生物学教授艾伦戴维森(Alan Davidson)说：它不仅能帮助解释长期进化，还能帮助解释短期进化。基因组数据中一些无法解释的怪癖从横向转导的角度来看或许更有意义。引用了最近的研究进一步阐述自己的观点：在这项研究中，用环丙沙星治疗小鼠，环丙沙星是一种通过激活噬菌体发挥作用的抗生素。该治疗在小鼠噬菌体病毒中产生了大量的抗菌素抗性基因，与噬菌体激活导致横向转导激增相一致。

横向转导能够帮助解释“致病性孤岛（pathogenicity islands）”的存在。“致病性孤岛”是一组细菌基因组，可以用来规避抗生素耐药性，并变得更加致命。它们分布在许多致病葡萄球菌基因组内，但奇怪的是，它们的非致病性却没有在近亲中出现。科学家们努力尝试解释这种模式，横向转导为此提供了一个合理的机制。尽管还需要进行很多研究来证实这一点，但一些证据表明，金黄色葡萄球菌致病性孤岛可能聚集在原噬菌体附着位点周围，如果你想环游世界，那是一个首选之地。

图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

佩纳德斯认为横向转导可能是一种创新，而非错误，同时还是细菌和宿主长期和平谈判的产物。通过增强宿主的适应性和毒性，病毒或许能更容易传播；对于细菌来说：进入病毒有益基因网络的好处可能超过噬菌体杀死某些细胞所带来的间接损害。达特茅斯学院(Dartmouth College)研究细菌和病毒共同进化的副教授奥尔加·扎西巴耶娃（Olga Zhaxybayeva）警告道：不要想当然地认为选择机制对双方都有利，这绝对是一种有趣的可能性，但还不能十分肯定。

卡罗尔大学(Carroll University)的病毒学家兼生物学副教授克里斯蒂娜·施奈德(Christine Schneider)说：这些结果非常令人吃惊，这一机制非常有趣，我很好奇它是否也在其他细菌中广泛存在。陈同意在更多细菌群中研究横向转导这一观点，同时他也认为这种机制广泛存在，和小组计划研究更多细菌种类，并寻找在自然环境中存在横向转导的证据。如果横向转导普遍存在，它将非常强大，一套完整的基因可以在一秒钟内绕过数百万年甚至数十亿年的进化过程，传递到以前从未见过的细菌细胞中。

博科园-科学科普｜参考期刊文献:《science》

文：Jonathan Lambert/Quanta magazine/Quanta Newsletter

DOI：10.1126/science.aat5867

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