一項新發(fā)現(xiàn)的機制顯示，病毒在細菌之間穿梭的頻率可能達到以往的1000倍，并可能成為細胞進化的主要力量。細菌擁有潛移默化的進化優(yōu)勢：它們在自己的網(wǎng)絡(luò)里可以用來交換生存方案?；畈《揪W(wǎng)絡(luò)，可以在不相關(guān)細胞之間傳播遺傳信息。這一傳播過程被稱為“轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）”，是細菌繞過垂直遺傳水平地共享信息的方法之一，可以使自然選擇緩慢形成的基因瞬間進入一個新種群?？茖W(xué)家們了解到轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)一定會在幾個世紀(jì)的時間里影響細菌進化，并推測由轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)引發(fā)的影響在時間上受到一定限制，因為傳導(dǎo)本身就很罕見。

博科園-科學(xué)科普：然而發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的一項研究發(fā)現(xiàn)了新轉(zhuǎn)導(dǎo)機制，這種機制發(fā)生頻率要比以往高出1000倍，可能會加速細菌進化到類似程度。事實上轉(zhuǎn)導(dǎo)或許是細菌進化的中心力量。新加坡國立大學(xué)(National University of Singapore)微生物學(xué)、免疫學(xué)助理教授和本次研究的主要合著者之一約翰?陳(John Chen)表示：我們假設(shè)轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)生速率類似于撥號上網(wǎng)，但在某些情況下，轉(zhuǎn)導(dǎo)率似乎更接近寬帶。研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)導(dǎo)不僅使基因水平轉(zhuǎn)移更為普遍，而且這一細菌網(wǎng)絡(luò)可能是由細菌和噬菌體病毒共同選擇形成。

噬菌體一旦落在細菌上，就會穿透細胞膜，將DNA注入細胞。從那里病毒就像劫持了宿主的細胞機器，不停復(fù)制自己，而后感染其他細菌。在極少數(shù)情況下，細菌DNA片段被隱藏在噬菌體中，然后被添加到被感染細菌的基因組，這種遺傳轉(zhuǎn)移過程被稱為一般轉(zhuǎn)導(dǎo)。事實上噬菌體也可以做出另一種選擇：將自身基因在不經(jīng)意間注入細菌的基因組，然后慢慢等待。噬菌體外源DNA在激活前可延續(xù)數(shù)代?？茖W(xué)家推測大約一半細菌都會含有噬菌體，許多細菌不止含有一個噬菌體。

噬菌體DNA片段一旦被激活，就會從細菌基因組中分離出來，進行復(fù)制，然后將其DNA打包成噬菌體。如果在分離過程中會出現(xiàn)錯誤，一小部分細菌基因組會被復(fù)制并與噬菌體一起打包。當(dāng)噬菌體感染另一個宿主時，一小部分細菌DNA會通過轉(zhuǎn)導(dǎo)過程整合到新宿主的基因組中。一般的轉(zhuǎn)導(dǎo)事件發(fā)生概率極低，每百萬個噬菌體中只會出現(xiàn)一個案例，而特殊轉(zhuǎn)導(dǎo)則更加罕見。盡管如此，偶發(fā)事件在細菌進化的時間尺度上大有裨益。但是一些細菌適應(yīng)環(huán)境變化的速度讓約翰·陳感到困惑，于是他研究了臭名昭著的金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)，它對抗生素的耐藥性進化非?？?。

葡萄球菌的耐藥菌株幾乎總是在引進新藥后的一兩年內(nèi)出現(xiàn)。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)就是一個著名的例子：耐藥菌株于20世紀(jì)50年代抗生素甲氧西林問世后不久就出現(xiàn)，現(xiàn)在耐藥金黃色葡萄球菌在全世界的醫(yī)院里都是一個禍害。金黃色葡萄球菌適應(yīng)速度非?？欤矣X得其中有很多值得深究的問題。已知的傳導(dǎo)機制解釋對我來說并讓人滿意，那只是一種直覺，不屬于科學(xué)結(jié)論。研究人員觀察金黃色葡萄球菌噬菌體產(chǎn)生的進程時，注意到一個奇怪的差異：似乎噬菌體DNA在從宿主基因組中提取任何病毒DNA之前就已經(jīng)被復(fù)制和打包好了。

如果前噬菌體DNA被復(fù)制和塞進病毒膠囊，同時嵌入到宿主基因組中，此時疏忽相鄰塊細菌DNA也被復(fù)制和包裹在噬菌體中的幾率增大，這也極大地增加了水平基因轉(zhuǎn)移至其他細菌物種的幾率。這種延遲切除機制曾在人工合成的突變體中被發(fā)現(xiàn)，但從未在自然界中發(fā)現(xiàn)。佩納德斯和陳不僅證明了這種新的轉(zhuǎn)導(dǎo)機制在金黃色葡萄球菌中自然發(fā)生，而且它的頻率是其他轉(zhuǎn)導(dǎo)模式的1000倍。預(yù)期結(jié)果與現(xiàn)實相比低了很多，當(dāng)把數(shù)據(jù)拿給一些同事看，他們難以置信。“橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)”也捕獲了比一般和特殊轉(zhuǎn)導(dǎo)更大的基因組，我們現(xiàn)在知道，更大的基因組塊屬于超移動性。

這些結(jié)果表明，在細菌進化過程中，轉(zhuǎn)導(dǎo)比我們之前意識到的要強大得多，多倫多大學(xué)微生物學(xué)教授艾倫戴維森(Alan Davidson)說：它不僅能幫助解釋長期進化，還能幫助解釋短期進化?；蚪M數(shù)據(jù)中一些無法解釋的怪癖從橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)的角度來看或許更有意義。引用了最近的研究進一步闡述自己的觀點：在這項研究中，用環(huán)丙沙星治療小鼠，環(huán)丙沙星是一種通過激活噬菌體發(fā)揮作用的抗生素。該治療在小鼠噬菌體病毒中產(chǎn)生了大量的抗菌素抗性基因，與噬菌體激活導(dǎo)致橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)激增相一致。

橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)能夠幫助解釋“致病性孤島（pathogenicity islands）”的存在?！爸虏⌒怨聧u”是一組細菌基因組，可以用來規(guī)避抗生素耐藥性，并變得更加致命。它們分布在許多致病葡萄球菌基因組內(nèi)，但奇怪的是，它們的非致病性卻沒有在近親中出現(xiàn)?？茖W(xué)家們努力嘗試解釋這種模式，橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)為此提供了一個合理的機制。盡管還需要進行很多研究來證實這一點，但一些證據(jù)表明，金黃色葡萄球菌致病性孤島可能聚集在原噬菌體附著位點周圍，如果你想環(huán)游世界，那是一個首選之地。

佩納德斯認(rèn)為橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)可能是一種創(chuàng)新，而非錯誤，同時還是細菌和宿主長期和平談判的產(chǎn)物。通過增強宿主的適應(yīng)性和毒性，病毒或許能更容易傳播；對于細菌來說：進入病毒有益基因網(wǎng)絡(luò)的好處可能超過噬菌體殺死某些細胞所帶來的間接損害。達特茅斯學(xué)院(Dartmouth College)研究細菌和病毒共同進化的副教授奧爾加·扎西巴耶娃（Olga Zhaxybayeva）警告道：不要想當(dāng)然地認(rèn)為選擇機制對雙方都有利，這絕對是一種有趣的可能性，但還不能十分肯定。

卡羅爾大學(xué)(Carroll University)的病毒學(xué)家兼生物學(xué)副教授克里斯蒂娜·施奈德(Christine Schneider)說：這些結(jié)果非常令人吃驚，這一機制非常有趣，我很好奇它是否也在其他細菌中廣泛存在。陳同意在更多細菌群中研究橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)這一觀點，同時他也認(rèn)為這種機制廣泛存在，和小組計劃研究更多細菌種類，并尋找在自然環(huán)境中存在橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)的證據(jù)。如果橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍存在，它將非常強大，一套完整的基因可以在一秒鐘內(nèi)繞過數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年的進化過程，傳遞到以前從未見過的細菌細胞中。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻:《science》

文：Jonathan Lambert/Quanta magazine/Quanta Newsletter

DOI：10.1126/science.aat5867

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