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《自然》:菌群中同样存在利他行为

2010-09-10
抗菌素,抗药性,耐药性,抗生素,吲哚,利他行为
《自然》:菌群中同样存在利他行为
可能在遗传生物学领域引发波澜;对人类公共健康或许更有意义.一直以来,舍己为人、无私奉献都被认为是人类社会的传统美德而被广泛传颂。而日前美国科学家在《自然》杂志上发表的一项研究却发现,细菌世界里同样也存在着毫不利己的无私之举。让人困惑的耐药性之谜,舍己为人也有生物学根据

《自然》:菌群中同样存在利他行为 z
英国Nature杂志,2010年9月2日出版

可能在遗传生物学领域引发波澜;对人类公共健康或许更有意义

一直以来,舍己为人、无私奉献都被认为是人类社会的传统美德而被广泛传颂。而日前美国科学家在《自然》杂志上发表的一项研究却发现,细菌世界里同样也存在着毫不利己的无私之举。

让人困惑的耐药性之谜

随着青霉素等抗生素类药物的广泛使用,在过去的几年里,诸如MRSA(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)和不动杆菌这样的“超级病菌”经过几代进化获得了极强的耐药性,已成为医院内主要的感染病原菌。本月初,日本帝京大学医学部附属医院就曾宣布,去年以来仅该院就有46名患者在住院期间感染了对多数抗生素有耐药性的不动杆菌,其中至少9名患者因此丧命。

为了弄清细菌耐药性的获得过程及具体机制,美国霍华德休斯医学研究所(HHMI)的詹姆斯·柯林斯和同事以大肠杆菌和诺氟沙星为对象进行了实验。研究人员将大肠杆菌放置在一个可对环境进行精确控制的反应器中进行培养,而后不断向其中增加诺氟沙星以观察细菌的耐药反应。每隔一段时间,研究人员就从反应器中分离出一小部分细菌样本,测试抗生素能够抑制细菌生长的最低剂量,即最低抑菌浓度(MIC)。一般来说,所需最低抑菌浓度高的菌群同样也具有较强的抗生素耐药性。

经过一段时间的实验后,研究人员惊奇地发现,除极个别情况外,几乎所有小样本的最低抑菌浓度都低于总样本。在整个菌群中真正对诺氟沙星有耐药性的细菌只有不到1%。细菌的防御机制为何会如此高效?这微不足道的1%是如何让整个菌群都拥有耐药性的?

谁为它们撑起了“保护伞”

为了破解这一谜团,研究小组按最低抑菌浓度对小样本菌群进行了筛选,对数值较高的菌群的蛋白质进行了分析。结果发现,这些菌群中色氨酸酶的含量极为丰富。色氨酸酶会分解成更小的氨基酸色氨酸,这个过程中的产物之一是一种名为“吲哚”的分子信号蛋白,具有耐药性的大肠杆菌在一定的压力下会释放出这种物质。科学家猜测,或许吲哚正是让其他易感细菌产生耐药反应的“保护伞”。

在随后的研究中,科学家们发现,吲哚为易感细菌应对诺氟沙星提供了两种保护方式。一是通过一种网眼结构将诺氟沙星和易感细菌隔离起来,使其无法对细菌发动攻击;二是通过其代谢物打开了细菌抵御自由基的通路,而自由基被认为是多种抗生素破坏细菌DNA(脱氧核糖核酸)、蛋白质和脂肪的主要“利器”,这样,那些普通的易感细菌即便不通过进化也能共享到耐药细菌所具备的耐药功能。因此对那些没有耐药性的细菌而言,吲哚可谓是其最直接的“救命恩人”,而也正因为吲哚的从中作梗,负有“杀敌重任”的抗生素才无功而返。

舍己为人也有生物学根据

鉴于发现了抗生素真正的“绊脚石”,几轮“厮杀”之后,研究人员又重新开始对具有耐药性的大肠杆菌进行观察。结果发现,由于产生吲哚会耗费大量的能量,与之前相比,耐药性大肠杆菌的生长速度明显放慢。这样看来,具有耐药性的细菌通过发送吲哚帮助其他细菌抵御抗生素似乎纯属“做好事”,它们自身并没有从中获得任何益处。

俗语讲“人不为己,天诛地灭”,为什么不具备道德感的细菌会不惜牺牲自己的生存资源来保全整体呢?这不是与“适者生存”的进化法则相违背吗?

柯林斯和同事为我们揭晓了答案。其实,细菌的这种利他行为非但没有违反进化法则,更是遗传规律使然。1964年英国生物学家汉密尔顿曾提出了著名的“亲缘选择理论”,该理论称,亲缘关系越近,动物彼此之间的合作倾向和利他行为就越强烈,反之亦然,其最终目的是达到“基因遗传频率的最大化”。

其实,不仅仅在人类和细菌中如此,在整个生物世界,亲缘选择都是一种非常普遍的行为模式,在父母与子女关系上表现得尤为明显。有生物学家曾举过一个例子:当幼鸟受到攻击时,大多数鸟父母们都会挺身而出,用伪装受伤的方法把猛禽引向自己,而使子女获得逃生机会。这个过程中,虽然成年鸟类极有可能丧生,但由于父母与子女之间有1/2的基因完全相同,从“基因遗传频率最大化”的角度看,只要能使两只以上的雏鸟逃生,这种牺牲就是值得的。相对这个例子,那些不到1%的大肠杆菌所做出的牺牲更是微不足道。

虽然该研究有可能在遗传生物学领域引发波澜,但柯林斯相信,该项研究对人类公共健康而言或许更有意义。研究人员还发现,大肠杆菌在应对除诺氟沙星之外的其他抗生素攻击时,也会产生吲哚。因此,它们推测,这或许是细菌应对抗生素的一种普遍策略。

接下来,研究人员将对此进行验证,并将进一步探讨除吲哚外,是否还有其他物质参与了细菌分享耐药性的过程。而未来在抗生素方面的研究或许会更多集中在吲哚上,从而获得阻断细菌获得耐药性的途径。


自然要览(选自英国Nature杂志,2010年9月2日出版)细菌产生抗药性的机制

封面故事:细菌产生抗药性的机制Bacterial charity work leads to population-wide resistance对抗菌素有抗药性的细菌菌种的出现,是临床环境中一个越来越大的威胁,但人们对它们出现的过程却不是很了解。

利用暴露于浓度不断增大的氟喹诺酮抗菌药“诺氟沙星”的一个大肠杆菌连续培养物所做实验表明,少数自然出现的抗药变体能保护其种群的绝大部分。这些具有高度抗药性的分离菌种产生信号作用分子“吲哚”,它能激发易感皮肤中的药物外排泵和其他保护机制。

这种利他行为使较弱的成分能够存活,并有机会进行有益的突变。对细菌的细胞内通信的使用情况进行更多研究,对于用以控制抗药性细菌感染的临床干预手段的合理设计可能会被证明是有价值的。

本期封面上的“红十字”图是用数字化手段从大肠杆菌种群的图像生成的。(Letter p. 82; News & Views)(封面图片由David Ascano、 Henry Lee、Michael Molla 和James Collins提供。)
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本栏目主要介绍生物学和生态学方面,包括生物技术、生物工程、生态经济、生态系统、生态环境、《自然》:菌群中同样存在利他行为等。特别关注有关人与文化方面的研究。

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