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科学家发现细菌抗性产生新机制,揭开“超级细菌”的进化之谜!

2018-10-19
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有一种说法是,仅亚历山大·弗莱明无意间发现的青霉素,就得以让整个人类的寿命从45岁提高到60岁。足以见青霉素在人类医学史上的重要地位。

也正是从青霉素被发现何大规模使用开始,细菌和人类之间就展开了一场你死我活的“军备竞赛”。
抗生素的种类越来越多,而细菌耐药性也越来越强。如今,不断出现的超级细菌,已经使得人类目前拥有的史上最强抗生素“万古霉素”,都无可奈何。

如果抗生素都杀不死细菌了,那无异于将人类与细菌的斗争,拉回到青霉素诞生之前的“原始时代”。

图 | 抗生素(来源:Fahroni/Shutterstock.com)


人们认为超级细菌的出现,是因为细菌惊人的进化速度,能够快速适应多变的生存环境。但究竟什么样的进化机制,使得细菌能够如此高效率地获得抗生素抗性?

10月12日,《科学》杂志发表重磅文章,来自新加坡国立大学医学院(NUS Medicine)和英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)的研究人员揭示,当噬菌体感染细菌时,会通过一种新的基因转导的方式,在细菌与细菌之间大规模转移DNA。正是这一过程,大大加速了细菌的进化速度,从而导致和加速细菌抗生素耐药性的出现,以及新的致病菌株出现。

这是迄今为止发现的能够以高频率转移大片段DNA的基因转导机制,也是60年来研究人员首次发现新的遗传转导机制,被称为
横向转导(lateral transduction)。

在此之前,科学家们已知的两种遗传转导机制,是美国科学家Joshua Lederberg所发现的
广义转导特异性转导。60多年前,Lederber发现细菌之间可以交换基因,并因此获得1958年的诺贝尔生理或医学奖(获诺奖的时候,Lederberg年仅33岁)。

所谓转导,就是通过病毒或病毒载体将外源DNA引入细胞的过程。其中最有代表性的例子是DNA从一种细菌到另一种细菌的转移。


图 | 噬菌体(来源:Medical News Today)


当噬菌体(一种专门感染细菌的病毒)感染细菌细胞时,它通常以两种方式之一进行繁殖:一种是裂解循环,也就是噬菌体利用宿主细胞DNA的复制、转录和翻译的机会,也复制大量自己的DNA或RNA,以及蛋白质外壳,然后裂解宿主细胞,导致新噬菌体颗粒的释放;第二种方式是溶原性循环,也就是噬菌体DNA整合到宿主基因组中,并与宿主基因组一起复制。在溶原性循环中,某些刺激可以激发噬菌体DNA将其自身切割出宿主基因组,与蛋白质组装成新的噬菌体颗粒,成熟并裂解宿主细胞。

无论是裂解循环,还是溶原性循环,释放的噬菌体都可以继续感染其他细菌,当再次感染新的细菌时,就有可能携带包括来自上一个宿主细胞的部分DNA。如果这种转导过程,是噬菌体偶然错误发生的,称之为广义转导;如果是只转移特定基因,则称之为特异性转导。这两种机制一直以来都是细菌遗传转导的唯二机制。

而这次,由新加坡国立大学医学院助理教授John Chen领导的研究团队发现,在噬菌体感染金黄色葡萄球菌的最后阶段,并不会立刻从宿主的基因组中切除。当噬菌体在它们还是宿主基因组的一部分时就开始了DNA复制,从而形成了多个整合的噬菌体基因组。此时这些
仍整合在宿主染色体中的被扩增噬菌体DNA,开始启动蛋白质外壳包装,并完成脱离。而这也就意味着相邻的宿主DNA也会被包装在后代噬菌体内,并随之进入下一个细菌。


(来源:irishtimes.com)


研究人员将这种独特的转导形式,称之为横向转导。John Chen表示,“横向转导的发现,将人们对可移动遗传元件的概念,从DNA提升到基因组层面。横向转导通过将部分基因组转化为超移动性平台,并能够以极高的频率传递。”

这种高效的基因转移模式,有助于解释细菌的快速进化,比如对多种抗生素耐药的细菌菌株的进化。横向转导的发现,更加证明了基因转导对于微生物进化的驱动影响,也揭开了各种致病耐药细菌高速高效进化的深层机制

我们也希望对细菌进化机制的进一步了解,能够帮助人们更好地解决可怕的抗生素耐药问题。

-End-

编辑:王新凯
参考:
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181011143101.htm




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