Nature子刊：小动物从能产生抗生素的细菌中获得基因

根据牛津大学、斯特林大学和伍兹霍尔海洋生物实验室(MBL)的一个研究小组的最新研究，一群小型淡水动物利用从细菌中“偷来的”抗生素配方来保护自己免受感染。

这种微小的生物被称为蛭形轮虫，意思是“爬行的轮状动物”。它们像其他动物一样有头、嘴、肠道、肌肉和神经，尽管它们比一根头发还小。

研究发现，当这些轮虫暴露于真菌感染时，它们会启动从细菌和其他微生物那里获得的数百个基因。其中一些基因在轮虫体内产生抗性武器，如抗生素和其他抗菌剂。研究小组在本周的《自然通讯》杂志上报告了他们的发现。

该研究的主要作者、牛津大学的克里斯·威尔逊说:“当我们翻译DNA密码以了解被盗基因的作用时，我们大吃一惊。”“主要基因是我们认为动物无法制造的化学物质的指令——它们看起来像抗生素的配方。”

先前的研究发现，轮虫从周围环境中获取DNA已有数百万年的历史，但这项新研究首次发现它们利用这些基因来对抗疾病。目前还没有其他动物能如此大规模地“窃取”微生物的基因。

“这些复杂的基因——其中一些在任何其他动物身上都没有发现——是从细菌中获得的，但在轮虫身上经历了进化，”研究报告的合著者大卫·马克·韦尔奇说，他是海洋生物实验室约瑟芬·贝·保罗中心的高级科学家和主任。“这增加了轮虫产生新型抗菌剂的可能性，这些抗菌剂对包括人类在内的动物的毒性可能比我们从细菌和真菌中开发的抗菌剂小。”

自卫的方法

抗生素对现代医疗保健至关重要，但大多数抗生素并不是科学家发明的。相反，它们是由真菌和细菌在野外自然产生的，人类可以制造人工版本作为药物使用。

这项新的研究表明轮虫可能也在做类似的事情。

“这些奇怪的小动物复制了告诉微生物如何制造抗生素的DNA，”威尔逊解释说。“我们观察到它们使用其中一种基因对抗一种由真菌引起的疾病，在感染中幸存下来的动物产生的化学配方是死亡动物的10倍，这表明它有助于抑制这种疾病。”

科学家们认为轮虫可以为寻找治疗由细菌或真菌引起的人类感染的药物提供重要线索。

抗生素正变得越来越无效，因为致病微生物已经进化成具有耐药性，不再对治疗有反应。世界卫生组织(World Health Organization)最近敲响了警钟，在6月份的一份报告中警告说，“迫切需要”开发新的抗生素来应对耐药性的威胁。

“轮虫使用的配方看起来与已知的微生物基因不同，”斯特林大学的研究作者鲁本·诺埃尔说。“它们和以前一样长，一样复杂，但部分DNA代码发生了变化。我们认为，进化过程改变了配方，使轮虫体内产生了新的、不同的化学物质。这是令人兴奋的，因为它可能为未来的药物提供思路。”

轮虫从细菌中获得的基因编码了一种不寻常的酶，这种酶将氨基酸组装成小分子，称为非核糖体肽。

“这项研究的下一阶段应该包括鉴定由蛭形轮虫产生的多种非核糖体合成肽，并建立可以诱导这些化合物合成的条件，”该研究的合著者、海洋生物实验室的高级科学家Irina Arkhipova说。

开发新药的一个问题是，许多由细菌和真菌产生的抗生素化学物质对动物有毒或有副作用。只有一小部分可以转化为清除人体有害微生物的治疗方法。

如果轮虫已经在自己的细胞中产生类似的化学物质，那么它们可能会导致更安全的药物用于其他动物，包括人类。

为什么轮虫会获得如此多的外源基因?

一个很大的问题是，为什么轮虫是唯一一种如此高频率地从微生物那里借用这些有用基因的动物。

“我们认为这可能与这些轮虫的另一个奇怪的事实有关，”来自牛津大学的研究合著者蒂姆·巴拉克拉夫说。“与其他动物不同，我们从未见过雄性轮虫。轮虫母亲产卵孵化成自己的基因副本，不需要性或受精。”

根据一种理论，像这样复制自己的动物会变得如此相似，以至于开始变得不健康。Barraclough解释说:“如果一个人生病了，其他人也会得病。”因为蛭形轮虫没有性行为，这使得亲代基因以有益的方式重组，轮虫母亲的基因组直接转移给她的后代，而不引入任何新的变异。

“如果轮虫找不到改变基因的方法，它们可能会灭绝。这可能有助于解释为什么这些轮虫从其他地方借来这么多基因，尤其是那些帮助它们应对感染的基因。”Barraclough说。

诺埃尔认为，从轮虫和它们被盗的DNA中还有很多东西需要学习。“轮虫使用了数百种在其他动物中没有发现的基因。抗生素配方令人兴奋，其他一些基因甚至看起来像是取自植物。他说:“这些发现是关于基因如何以及为什么在不同种类的生命之间移动的故事的一部分。”