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研究表明 抗生素抗性基因通過(guò)基因資本主義在大腸桿菌中持續(xù)存在

導(dǎo)讀 一段時(shí)間以來(lái),我們已經(jīng)知道,過(guò)度使用抗生素會(huì)通過(guò)快速傳播抗生素抗性基因,導(dǎo)致細(xì)菌中抗生素抗性的驚人增加。這可能不僅是這些基因的傳播

一段時(shí)間以來(lái),我們已經(jīng)知道,過(guò)度使用抗生素會(huì)通過(guò)快速傳播抗生素抗性基因,導(dǎo)致細(xì)菌中抗生素抗性的驚人增加。這可能不僅是這些基因的傳播,也是進(jìn)化方式促進(jìn)微生物中基因含量經(jīng)濟(jì)性的方式的根本改變。

通常,根據(jù)進(jìn)化論,種群中常見(jiàn)的基因是通過(guò)自然選擇來(lái)選擇的,具有特定基因的生物的生存是通過(guò)經(jīng)濟(jì)的、無(wú)意義的成本收益分析來(lái)決定的。然而,現(xiàn)在看來(lái),人類的過(guò)度干預(yù)正在把細(xì)菌變成貪婪基因產(chǎn)品的“基因資本家”,從而推動(dòng)了一個(gè)更意想不到的進(jìn)化過(guò)程。

一項(xiàng)新的研究發(fā)表在本期刊最新一期的分支系統(tǒng)學(xué)上,分析了大腸桿菌的409個(gè)不同基因(由大腸桿菌在1884年至2018年間收集),這是一個(gè)涉及29255個(gè)菌株的基因組細(xì)菌的大規(guī)模基因數(shù)據(jù)集,因此進(jìn)化出的菌株可以抵抗各種抗生素。研究人員研究了賦予抗生素抗性的基因一旦獲得,是否會(huì)在細(xì)菌譜系中大量存在(這種現(xiàn)象被稱為“基因資本主義”),或者一旦它們不再需要生存,是否會(huì)通過(guò)正常的進(jìn)化過(guò)程消失。這叫做“穩(wěn)定選擇”。

在一個(gè)正常的、不受干擾的世界里,進(jìn)化過(guò)程會(huì)修正細(xì)菌基因組的變化,以解決“成本”問(wèn)題。通過(guò)增加一個(gè)額外的基因,額外的成本通過(guò)增加細(xì)菌的進(jìn)程而增加。自然選擇可以在變化和更大或更長(zhǎng)期的生存參數(shù)(如更快的生長(zhǎng)和更多的繁殖)之間取得平衡,理論上,“穩(wěn)定選擇”過(guò)程應(yīng)該通過(guò)有助于消除不必要成本的基因來(lái)主導(dǎo)市場(chǎng)。

幫助細(xì)菌抵抗抗生素化合物(由其他微生物釋放的抗生素,現(xiàn)在用于人類醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè))的各種基因可能已經(jīng)存在了十億多年,但它們對(duì)細(xì)菌的生存從未如此重要。廣泛存在于細(xì)菌基因組中。根據(jù)進(jìn)化理論,人們期望這些基因在不再需要時(shí)消失,就像細(xì)菌工具箱中攜帶的巨大且高度可維護(hù)的工具一樣。

發(fā)現(xiàn)“穩(wěn)定選擇”不再是抗生素抗性基因的進(jìn)化規(guī)律。

北卡羅來(lái)納大學(xué)夏洛特分校生物信息學(xué)和基因組學(xué)教授卡羅爾格羅特貝爾克(Carol grotte belk)和該研究的通訊作者丹尼爾詹尼斯(Daniel Janis)表示:“細(xì)菌不斷受到來(lái)自其他微生物的競(jìng)爭(zhēng)壓力,它們?cè)跔?zhēng)奪資源和空間,或者防御攻擊?!薄!按竽c桿菌的能量預(yù)算非常緊張——據(jù)說(shuō)即使給基因增加額外的堿基也會(huì)使細(xì)菌譜系不適合。

他說(shuō):“在沒(méi)有抗生素的選擇性作用的情況下,細(xì)菌譜系會(huì)進(jìn)化并失去產(chǎn)生抗生素抗性的基因——任何不需要的東西。這是一個(gè)穩(wěn)定的選擇——細(xì)菌譜系應(yīng)該恢復(fù)到野生型,或者通過(guò)選擇性的強(qiáng)制淘汰?!笔堑?。

然而,恰恰相反,在大腸桿菌過(guò)去134年的進(jìn)化史中,這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),它更有可能保留賦予抗生素耐藥性的基因變化,而不是通過(guò)長(zhǎng)期選擇失去它們。

詹尼斯說(shuō):“我們研究的大多數(shù)基因在細(xì)菌譜系中獲得了,但很少丟失。”“想象一下攜帶所有這些基因(有時(shí)多達(dá)30個(gè))如何影響細(xì)菌的進(jìn)化適應(yīng)性。”

雖然細(xì)菌耐藥性增加并不是什么新發(fā)現(xiàn),但Janis指出,這一現(xiàn)象的發(fā)生范圍表明,大規(guī)模的人類干擾正在導(dǎo)致大量基因ho產(chǎn)物的出現(xiàn),這些產(chǎn)物賦予抗生素耐藥性,這在正常的進(jìn)化壓力下是不可能的。

詹尼斯說(shuō):“自從抗生素工業(yè)化以來(lái),我們已經(jīng)看到,讓大腸桿菌繁榮或存活的成本需要一個(gè)或多個(gè)——或者多達(dá)三十多個(gè)抗生素抗性基因。”"我們通過(guò)抗生素的工業(yè)化發(fā)揮了巨大的力量."

然而,這項(xiàng)研究也表明,并不是所有賦予大腸桿菌耐藥性的基因都會(huì)受到新的進(jìn)化壓力的同等影響。這項(xiàng)研究追蹤了基因賦予耐藥性的五種不同方式,并測(cè)量了這些大類抗生素之間的差異,即它們是否被從穩(wěn)定選擇推向基因資本主義。

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