是什么让细菌变坏? 探索“EAEC”的进化

人类最伟大的疑问之一一直关注着从善到恶的转变。这个问题没有唯一的答案;有几种可能的原因适用。尤利乌斯·凯撒(Julius Caesar)曾戏剧性地问他的朋友:“布鲁图,你也背叛我吗?” 他以此惨痛地认识到了机会的力量。在虚构的剧集《国土安全》(Homeland)中,对孩子的同情是尼古拉斯·布罗迪(Nicholas Brody)叛变行为的根源。最后,还有一个长期存在的问题是“ necessity”(必要性),在这种情况下,一个人为了应对环境压力,如失业或贫困,而走向犯罪。

在微生物世界中,从无害的共生体转变为病原体一直是许多研究人员关注的焦点。不出所料,同样的三种原因也适用。肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae利用疾病导致危及生命的感染。皮肤细菌痤疮丙酸杆菌(Propionibacterium acnes)在皮肤护理不当时会发生改变,给我们带来粉刺的困扰。然后是艰难梭菌(Clostridium difficile)。曾经,这种细菌是无害的,但由于抗生素和其他压力源(包括质子泵抑制剂)的存在,它不仅产生了毒素,还产生了对抗生素的耐药性。

无论是什么原因,当一种细菌决定改变时,实现这种改变的唯一途径就是通过基因进化。这个过程可能涉及已经存在的基因表达的改变、基因序列的核苷酸突变、重组事件或毒力因子(如质粒)的获取。当这种情况发生时,微生物在结构和功能上会发生变化,形成新的菌株,很可能还会带来新的健康问题。

毫无疑问,研究最多的细菌是大肠杆菌(Escherichia coli)。这种细长的杆状微生物在我们世界中无处不在,并与我们每天都发生着互动。有些是无害的,比如共生菌K-12;有些是有益的,包括益生菌Nissle 1917。但也有致病菌,其中最常见的菌株之一是肠聚集性大肠杆菌(Enteroaggregative E. coli,简称EAEC)。

这种细菌最早于1987年被描述,已知会导致散发性感染和大规模爆发。它也是腹泻病的主要关注对象,尤其是在儿童中。不幸的是,确定其进化的机制以及其出现的诱因一直是个谜。

2010年,一个国际研究团队试图找到一些答案。他们检查了来自尼日利亚西南部地区的126个分离株,以确定一个共同祖先并可能确定其诱因。不幸的是,他们一无所获。没有单一的EAEC菌株;相反,它们是各种致病菌的汇集,都表现出相同的症状,但没有共同的转变原因。

2013年,EAEC的情况变得更加混乱。英国的一个研究团队分析了1993年至2009年间的各种EAEC分离株。正如预期的那样,他们发现了几种致病变异株,但也偶然发现了非致病性的。基于这项发现,这种特定菌株的存在并不一定意味着疾病。如果这种细菌要变得有害,肯定不是全方位的。

现在,可能对EAEC菌株的产生以及其致病反应多样性的原因有了可能的解释。一个国际研究团队研究了该菌株的起源,并在上周公布了他们令人惊讶的结果。与之前认为的不同,没有单一的诱因,而是多达三种。

该研究小组重点研究了在三十年间分离出的564个菌株。使用一种称为多位点序列分型(MLST)的技术,研究人员试图找出致病诱因背后的答案。首先,是否有共同的祖先可以解释该菌株的产生?其次,为什么有些菌株会引起疾病,而另一些则不会?这项任务对任何微生物学家来说都是一项艰巨的任务,但他们认为自己终于能够成功,而其他人则失败了。

在机制方面,该研究小组发现致病性EAEC菌株具有共同的进化途径。无论地理位置如何,这些细菌主要通过重组产生,与其他菌株的交流导致了“叛变”的结果。至于转变背后的动因,这种转变主要发生在存在竞争时。这个过程并非出于恶意,而是出于必要。

在了解了机制和动因之后,研究人员想采取一个不同寻常的步骤,来弄清楚为什么只有部分分离株会导致疾病。这个答案提供了一个出乎意料的视角。直到现在,EAEC一直被认为是E. coli的一个独立分支,但分析显示并非如此。EAEC可以存在于三个不同的群体中,其中只有一个被认为是致病的。这意味着,本质上,这种细菌被误解了;它们并非都是恶棍。事实上,大多数只不过是生存主义者。

总体结论表明,EAEC的形象需要被重新审视和修改。确实,一些分离株会导致疾病,但也有无害和/或有益的。这种区别尚未完全阐明,但更详细的调查显然是有益的。毕竟,在谈到恶棍时,恰当的分析不仅能帮助我们理解一个人——或微生物——为什么会变坏,还能帮助我们判断他们究竟是我们的敌人,还是仅仅是迷失的灵魂。

 

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自青少年时期起,Jason Tetro就把实验室视为他的第二个家。他在微生物学和免疫学方面的经验使他涉足多个领域,包括血液传播、食品和水病原体;环境微生物学;消毒和防腐;以及SARS、禽流感和寨卡病毒等新兴病原体。他目前是圭尔夫大学的访问科学家。在公众中,Jason更广为人知的名字是“The Germ Guy”(细菌 guy),他经常在媒体上以其有时非传统的视角解读科学。Jason著有两本书:《The Germ Code》(2014年入围年度科学图书奖)和《The Germ Files》(曾连续几周登上全国畅销书榜)。他还合编了《The Human Microbiome Handbook》(人类微生物组手册),该书从学术角度探讨了微生物对人类健康的影响。他住在多伦多。

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