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推理要在实验室:为什么有些细菌会致病,有些不会呢?

“世界上有很多细菌,我们的工作是研究这些细菌如何变得不一样!”中研院植物暨微生物所的郭志鸿副研究员说,图/by 张语辰。

细菌的身世之谜

为什么有些细菌会致病、有些不会?为什么有些细菌需要依赖宿主存活、有些不用?要回答这些问题,需要比较不同的细菌,找出其中基因的异同处,就如同推理剧般一步步推敲细菌们的演化史。

为什么研究细菌?

细菌的多样性非常高,因为演化的歷史比动植物长很多,可以生存的环境也很多样。

目前证据显示细菌在三十亿年前就在地球上出现,而多细胞生物的演化史则不到十亿年。另外动植物能生存的范围蛮窄的,但无论在高温、低温、高压、低压、低氧……什么奇怪的环境都能找到细菌,所以能探讨的题目就很多。

我从博士后训练时期开始投入“细菌基因体演化”的研究。一开始先问巨观的问题,例如说有什么演化趋势是在大部份的细菌都会发现。 2010 年起在中研院建立自己的实验室,兴趣也转向针对微观的细节深入研究。近年来主要的研究材料是柔膜菌纲中的“植物菌质体”和“螺旋菌质体”。

细菌演化有何奇妙现象?

在演化的歷程中,细菌拥有的基因“种类”和“数量”会有剧烈的变化。

横轴可以解释为细菌演化的歷程,也可以解释为细菌有多需要宿主。资料来源:Winding paths to simplicity: genome evolution in facultative insect symbionts,图重製/by 林婷娴、张语辰。

若以基因体大小和宿主依赖度来分,细菌可分为“环境微生物”、“兼性共生菌”、“绝对共生菌”。

在细菌演化的歷程中,一开始的环境微生物基因体较大,带有各式各样在自然环境中生存所需的基因。但经过“第一次过渡事件”后,就从完全不依靠宿主,变成兼性共生菌,在有些条件下和宿主一起存活。

当需要依靠特定的动植物时,细菌的族群就不能比宿主大,一但细菌的族群变小,“天择”的力量就会减弱,由随机事件掌控的“遗传漂移 (genetic drift) ”就变得比较重要。许多突变,即使对细菌本身不利,都有机会因为随机事件遗传给下一代,甚至到族群中所有个体。

族群大,天择重要;族群小,遗传漂移重要。

细菌基因体的突变,最常见的形式是“基因丢失”,这些被丢失的基因不是绝对必要、比较像“备用工具”,若失去这些备用工具平时不会产生大影响,这个结果就容易遗传给下一代。

到了“第二次过渡事件”,细菌从兼性共生变成绝对共生,不能再离开宿主,例如柔膜菌纲的“植物菌质体”。这时候因为很多营养可以改成从宿主身上取得,许多自行合成氨基酸、脂质等养份的基因就像不再被需要的备用工具,也自然从细菌的基因体中消失。也因此这些细菌可能走入演化的死巷,难以再转换到其他的生态栖位。

细菌三十亿年前出现在地球上,这些基因演化发生地多快多慢,目前并不清楚,因为细菌不像恐龙有化石纪录,很难定年。

实验室在研究哪些细菌?

我们实验室主要研究柔膜菌纲中的细菌。这类细菌最广为人知的是“黴浆菌”,引起很多人类跟动物的重要疾病,世界上有很多实验室在研究。而我们则主要研究“植物菌质体”和“螺旋菌质体”,并比较这三群细菌间的异同。

柔膜菌纲包含三种:“黴浆菌”会让温体动物生病;“植物菌质体”会让植物生病;而大部分的“螺旋菌质体”是节肢动物的共生菌,有的会致病、有的不会致病。资料来源:郭志鸿,图重製/by 林婷娴、张语辰。

植物菌质体是一群由昆虫传播的植物病菌,几十年来都无法被人工培养。我们透过基因体定序,由受感染的植物中分别解出“植物”和“植物菌质体”的 DNA 序列 ,并将“健康的植物”和“被感染的植物”做比较分析,来了解植物菌质体如何让植物生病,这对农业非常重要。

左为健康的绣球花,右为受植物菌质体感染、该开花的部位长出叶子。图/from Genomic and evolutionary aspects of phytoplasmas。

植物菌质体进入植物体内后,会分泌小小蛋白质、调控植物细胞里基因的表现,让该开花的部位长出很多叶子。

植物菌质体可以将植物“开花”的机制切换成“长更多叶子”的机制,如此一来植物无法传宗接代,在演化上等于死掉一样。而且因为植物无法开花结果,对农业生产造成很大的问题。

除此之外,植物菌质体还会降低植物用来防御昆虫的化学物质、吸引昆虫来吃植物,这么一来植物菌质体又能藉由昆虫散播到新的宿主。我们正在研究植物菌质体是利用什么机制来调控这过程。

相对于“植物菌质体”都会让植物宿主生病,同属于柔膜菌纲的“螺旋菌质体”,大部分是节肢动物的共生菌,有的会让宿主生病、有的不会。

这是螺旋菌质体好玩的地方,我们能从“比较基因体学”的角度,去看螺旋菌质体这个属内的“病菌”和“非病菌”物种的基因哪里不同,是多了或少了某个基因造成这种差别;也能探讨这些演化是如何发生,是藉由“垂直基因遗传”、或是“水平基因转移”。

螺旋菌质体在光学显微镜下,看起来像被稍微拉长的捲捲电话线。资料来源:Chemotaxis without Conventional Two-Component System, Based on Cell Polarity and Aerobic Conditions in Helicity-Switching Swimming of Spiroplasma eriocheiris,图重製/by 林婷娴、张语辰。

 

为什么有些细菌会致病、有些不会?

和三斑家蚊共生的螺旋菌质体 S. diminutum ,可以和蚊科宿主和平共处。但另一种和三斑家蚊共生的螺旋菌质体 S. taiwanense ,会破坏蚊科宿主的组织、增加死亡率。资料来源:Comparison of Metabolic Capacities and Inference of Gene Content Evolution in Mosquito-Associated Spiroplasma diminutum and S. taiwanense,图重製/by 罗文穗、张天昫、林婷娴、张语辰、郭志鸿。

 

我们这几年研究蚊子身上的螺旋菌质体,结果发现有致病性的 S. taiwanense 能够消化的“碳水化合物”较少,但因为带有一组非病菌所没有的 glpO 基因,能在蚊子体内改吃甘油、并生成“过氧化氢”等“活性氧物种”,造成蚊科宿主的细胞溶掉、释放出细胞里的蛋白质和脂质, S. taiwanense 就能吃这些蛋白质和脂质作为养分来源,相当具有侵略性。

S. taiwanense 这样苦苦相逼宿主有什么好处?它采取的策略是,只要我伤害宿主可以多复製几个细胞,提高传播到下个宿主的机会,就是有利的生存策略。反过来说,若宿主是独居性的动物,一座山头只有一隻,共生菌就会倾向与宿主和平共存,因为若伤害宿主、细菌也无法存活。

共生菌要多具有侵略性,受限于宿主的“族群密度”和“传播机会”。

会做这个题目是因为,我们透过文献知道 S. taiwanense 和 S. diminutum 这两种螺旋菌质体都是蚊子的共生菌,但 S. taiwanense 会使蚊子生病, S. diminutum 却不会。我们选了一些与 S. taiwanense 、 S. diminutum 亲缘关係相近的菌种,比较这些菌种的演化史,看看是哪个基因造成这种差别。除了多瞭解台湾本土的昆虫共生菌之外,也许有机会发展于登革热的生物防治。

细菌会水平转移基因?

以前课本教:基因是爸妈遗传给我们,因此一般会认为生物演化大多是“垂直基因遗传”,再慢慢累积突变,造成物种间的差异。而“水平基因转移”的意思是,一个物种可以从其他物种得到自己原本所没有的新基因,这是细菌演化上很重要的机制。

细菌是体细胞兼生殖细胞,所以很容易“水平转移”基因。

如下图,我们分析细菌的亲缘关係,发现刚刚提到的 glpO 基因是从别的菌种“水平转移”拿来的。这些新拿来的基因不只存在于细菌基因体中里,还会被纳入基因调控的分子机制中、产生新的反应。

(A)图:若基因演化史为“垂直遗传”,则亲缘关係会像此图。演化关係相近的物种,例如上方五个以红色标示的螺旋菌质物种,在亲缘树上也会较接近。
(B)图:来自 S. taiwanense 的基因 (STAIW_v1c07530))跟其他的螺旋菌质体物种的基因(红色)关係较远,反而跟黴浆菌的基因(蓝色)关係较近,推测可能是因为此基因是 S. taiwanense 自黴浆菌水平转移而得到。资料来源:Molecular Evolution of the Substrate Utilization Strategies and Putative Virulence Factors in Mosquito-Associated Spiroplasma Species。

“超级细菌”是怎么回事?

目前人类了解的细菌不到整体百分之一,而新科技的发展让我们开始慢慢了解许多过去没研究过的细菌。有在实验室被成功培养出来的细菌中、会让人类生病的是少数中的少数。

大约一百年前,抗生素刚被发现就像“魔法子弹”,可以治疗几乎所有细菌感染的疾病,但后来抗生素开始失去效果,因为细菌经由基因突变、或藉由水平基因转移,可以抵抗抗生素。“超级细菌”是因为具备多重抗药性,已经凑齐能抵抗不同抗生素的基因,除非医学又开发出新型的抗生素,否则医生就无药可用。这过程就像人类和病菌间持续的军备竞赛。

带有这个抗药性的基因对细菌有利,这是人类造成的天择。

天择造成的生存压力很大,本来只有某种细菌有某个特定的抗药性基因,但不同的细菌之间容易互相藉由“水平转移”传播抵抗不同抗生素的基因。在疾病管理上,尽量不要让不同病人带有的病菌有机会互相接触。

若要避免产生超级细菌,唯一有效的方法是不要用抗生素。因为在有抗生素的环境中,细菌带有抗药性的基因是有利的;但若在没有抗生素的环境下,细菌带有抗药性的基因就变得多余。

实际上,不要用抗生素真的很难,若非得要用,就要用得彻底,医生开给你七天的药就要吃完,让足够的药剂量将病菌在发展出抗药性前彻底杀死。

如何找到实验灵感?

没有公式可以依循,失败的题目远比成功的多。

我们从文献上知道有哪些细菌存在、知道前人做了什么、有哪些可以做还没做、有不有趣。做完这些评估,我们再来想想实验室能不能做到,觉得有希望就试试看。

失败的话怎么办?就偷偷伤心一下下再努力(笑)。例如说卖鸡排,倒掉的店也比赚大钱的多,这点可能各行各样都差不多。

走学术研究这条路,从研究所开始就是不断面对失败的训练。当上老师后不但要分担学生的挫折,还要为了研究计画的申请跟成果的发表奋斗。虽然不断面对失败免不了难过,但回头看过程中学到的经验,怎么把困难的问题理出头绪,找到自己的看法,最后能有几个有趣的故事可以说出来跟大家分享,这就是做研究迷人的地方。

延伸阅读

  1. 郭志鸿的个人网页
  2. 〈蚊科昆虫共生菌的致病基因演化〉,作者:罗文穗、郭志鸿
  3. Wen-Sui Lo, Ya-Yi Huang, Chih-Horng Kuo* (2016) Winding paths to simplicity: genome evolution in facultative insect symbionts. FEMS Microbiology Reviews, 40, 855-874.
  4. Lo WS, Gasparich GE, Kuo CH* (2015) Found and lost: the fates of horizontally acquired genes in arthropod-symbiotic Spiroplasma. Genome Biology and Evolution 7: 2458-2472.
  5. Chang TH, Lo WS, Ku C, Chen LL, Kuo CH* (2014) Molecular evolution of the substrate utilization strategies and putative virulence factors in mosquito-associated Spiroplasma species. Genome Biology and Evolution 6: 500-509.
  6. Lo WS, Ku C, Chen LL, Chang TH, Kuo CH* (2013) Comparison of metabolic capacities and inference of gene content evolution in mosquito-associated Spiroplasma diminutum and S. taiwanense. Genome Biology and Evolution 5: 1512-1523.

本着作由研之有物製作,以创用CC 姓名标示–非商业性–禁止改作 4.0 国际 授权条款释出。

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