缓步轮虫是古老的、无性的、奇特的生物。这些微小的淡水动物在没有性行为（及其带来的进化优势）的情况下，据估计已存活了 2500 万年。新的研究揭示了这些 具有顽强生命力的水生生物 在没有性基因交换的情况下，如何得以长期生存并传播到世界各地——从潮湿的苔藓到南极冰盖。奇怪的是，这些发现可能有助于科学家们找到更好的治疗人类疾病的抗生素。
根据 7 月 18 日发表在《自然·通讯》杂志上的一项 研究，微小的、多细胞的、水生的缓步轮虫可能利用从植物、真菌和细菌那里窃取的遗传物质来制造自己的抗菌药物。通过窃取非动物的基因，轮虫能够产生它们原本无法获得的化合物。研究结果表明，借来的基因有助于一些缓步轮虫在感染剧毒真菌病原体后生存下来，从而补充了标准的动物免疫系统。
“我们甚至没想过动物能制造这些化学物质，”该研究的资深作者、英国牛津大学的生物学家 Chris Wilson 说。“细菌和真菌在这方面（这种化学物质）非常擅长。动物则不然。”然而，在 Wilson 和他的同事们检查的许多轮虫基因序列中，他们发现了制造微型抗生素工厂的指令——基本上是窃取自细菌和真菌食谱的配方。
跳过性行为
通过有性生殖进行基因交换是多细胞生物进化抗病能力的关键途径之一。通过世代相传的遗传信息的混合和共享，动物更有可能偶然发现特别有益的组合。然而，在几个世纪的观察中，科学家们从未发现过雄性缓步轮虫，这意味着这些微小动物完全通过孤雌生殖繁殖。
不经受精即可繁殖的现象在动物界非常普遍，从昆虫到爬行动物再到鸟类。但通常这种情况很少见，几乎总是与有性生殖交替出现，而且纯粹的孤雌生殖物种往往经不起进化的考验。缓步轮虫则打破了这三个趋势，它们的成功是一个长期存在的谜团。新的发现有助于解开这个谜团。
之前的基因研究表明，缓步轮虫 携带了大量非动物来源的 DNA。通过一种称为“水平基因转移”的过程，大约 11% 的基因组是从其他地方获得的，这个过程通常通过病毒介导。但这是第一次将这些水平获得的基因与感染存活联系起来。
缓步轮虫的水平基因转移速率仍然远低于有性物种的进化速率。然而，研究表明，即使是这些缓慢获得的 DNA 片段也可能对轮虫的进化持久性至关重要。
“人们越来越清楚地认识到，即使水平基因转移在[动物]中很少见，但它确实发生过，而且似乎确实有影响，”未参与此项新研究的英国诺丁汉特伦特大学微生物学家 Maria Rosa Domingo-Sananes 说。她说，这项研究触及了这些基因实际功能的问题。“总会有‘这是基因漂移吗？’、‘它们是基因寄生虫吗？’，还是‘它们可能真的有益？’这样的问题——这项工作正在朝着答案迈出第一步。”
追踪遗传“违禁品”
为了弄清楚缓步轮虫的“ looted genes ”（被劫掠的基因）的目的，科学家们首先要让一些轮虫生病。他们让两种不同的缓步轮虫物种感染了一种特别恶性的真菌。“这有点像《最后生还者》里的那种僵尸真菌，”Wilson 告诉《大众科学》。“当它成功感染轮虫时，它们最终会像一团真菌一样爆炸。这不是一个令人愉快的结局。”
其中一种缓步轮虫物种对真菌高度敏感，三天后死亡率超过 70%。另一种则抵抗力强得多，同一时期只有 18% 的死亡。
生物学家们在疾病过程中追踪了这两个物种的基因表达。他们发现，在这两个谱系中，病原体暴露激活了不成比例的被盗基因序列（占总表达基因的 23% 到 32%）。这些开启的序列之间有大量的重叠。但在抗性物种中，一组与催化细菌中抗菌化学物质形成相关的基因高度活跃，其激活程度是易感物种的 10 倍。
“这真的引起了我们的注意。当我们查看这些基因的功能时，这是最清晰的模式，”Wilson 说。“我们将两者联系起来，并提出这些基因是轮虫对抗这种病原体的主要防御手段之一。”
研究人员模拟了这些细胞化工厂的具体产物，并预测最终的化合物将类似于已知的、强效的、广谱的抗生素和抗真菌剂。轮虫对基因进行了一些调整——序列与非动物源材料并非完全匹配——但其效用可能相似。
疾病的解决方案
随着越来越多的微生物进化出逃避我们依赖的药物的方法，抗生素耐药性 已成为一个日益严重的问题。然而，Wilson 指出，寻找新的、可靠的抗菌药物非常困难。许多能杀死病原体的化合物最终也会损害人体细胞。
轮虫制造的药物的发现可能会有帮助。由于轮虫是动物，它们制造的化合物至少必须对动物可耐受。“它们不能有很高的毒性，否则它们就无法在自己的细胞内生产，”Wilson 说。“我们认为它们可能是有用的线索，或者为我们寻找人类兼容的抗菌化学物质提供捷径。”
“这是一个有趣的观点，也是一个很好的论点，”Domingo-Sananes 同意。关于抗生素耐药性，“我们确实需要尝试一切可能的方法，”她说。“如果这些轮虫中存在未被充分利用的多样性，为什么不加以探索呢？”
然而，一只轮虫能耐受某种化合物，并不意味着它对人类有效。她指出，小鼠和人类的关联性远比轮虫和人类的关联性要高——但通常在啮齿类动物身上安全有效的医疗治疗在人体试验中却无法通过同样的门槛。
Wilson 和 Domingo-Sananes 都警告说，在任何这些发现能够转移到人类身上之前，还有很多工作要做。一个重要的下一步是：实际分离出由具有抗病能力的轮虫制造的化学物质，并确认这些化合物确实具有抗菌作用。Domingo-Sananes 还希望看到后续工作评估其他轮虫谱系和病原体，以确定不同类型的感染是否会引发不同的基因反应。
但就目前而言，Wilson 仍然感到惊喜和乐观。即使没有其他收获，他也认为他的发现足以支持继续深入研究奇特的生物学。“我们开始这项研究时，根本不知道会与抗菌药物有什么联系，”他说。“这就像我们偶然发现了抗生素本身一样，有时你就是会偶然发现一些东西。”
“当你深入研究一个看似完全晦涩的东西时——一种生活在土壤中、没人听说过的微小动物……你可能会发现一些意想不到的、最终有用的东西。”
