研究表明 抗生素抗性基因通過基因資本主義在大腸桿菌中持續(xù)存在

一段時(shí)間以來，我們已經(jīng)知道，過度使用抗生素會(huì)通過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，種群中常見的基因是通過自然選擇來選擇的，具有特定基因的生物的生存是通過經(jīng)濟(jì)的、無意義的成本收益分析來決定的。然而，現(xiàn)在看來，人類的過度干預(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)?；驍?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)通過正常的進(jìn)化過程消失。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)化過程會(huì)修正細(xì)菌基因組的變化，以解決“成本”問題。通過增加一個(gè)額外的基因，額外的成本通過增加細(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”過程應(yīng)該通過有助于消除不必要成本的基因來主導(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?！?。“大腸桿菌的能量預(yù)算非常緊張——據(jù)說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：“在沒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，或者通過選擇性的強(qiáng)制淘汰?！笔堑摹?

然而，恰恰相反，在大腸桿菌過去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，而不是通過長(zhǎng)期選擇失去它們。

詹尼斯說：“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：“自從抗生素工業(yè)化以來，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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