細菌病原體的興起

編譯 劉迪一

科學家能否在下一場大流行形成以前就能預測致病微生物現身何處？

薩爾瓦多·阿爾馬格羅-莫雷諾于2017年加入美國中佛羅里達大學并建立實驗室

新冠疫情這樣的災難對人類來說并非新鮮事，而令我們頭疼的是，它們的發生通常是快速且不可預測的：無害的生物可以因突變成為致命威脅，然后如野火般蔓延，諸如奪走無數人生命的鼠疫和霍亂。這兩種疾病都由細菌引起，而細菌祖先本無毒，后代卻演化成了嚴重的禍害。

我們無法預測未來，但能通過研究病原性疾病的過往吸取許多重要教訓。黑死病開啟大流行模式，是在鼠疫耶爾森菌（俗稱鼠疫桿菌）經歷兩次重大變化之后。鼠疫桿菌的前身假結核耶爾森菌（Yersinia pseudotuberculosis）是一種相對溫和的腸道病原體，大約在5 000年前，它于歐亞大陸某地轉變為一種致命的、能夠引發大流行的全身性病原體。演變后的黑死病病原體獲得了通過呼吸道傳播的能力。鼠疫桿菌的另一次變身則帶來了一種叫作ymt的基因，使其能通過跳蚤傳播。

看起來細微的遺傳變化讓這種細菌成功扎根人體，并開始在人群中傳播，從而改變人類歷史：1347年至1351年間，黑死病肆虐歐亞大陸，導致歐洲損失1/3以上人口。

霍亂弧菌是一種水生細菌，能引起嚴重腹瀉，與鼠疫桿菌類似，也經歷了從無害祖先向“恐怖詛咒”的轉變；參與其演化史的要素比鼠疫的更多——其中大多數基因是從環境獲得的。

可能導致上述微生物突變的事件就像病原體本身一樣數量大且種類多。過去幾十年間，科學家發現了眾多可調節此類轉變的機制和因素。這些發現正幫助我們開發更復雜的框架用以應對新出現的病原體，防止它們成為嚴重的公共衛生問題。

原本不會威脅人類健康的微生物獲得了侵占和傷害人體的能力，此過程即為“病原體涌現”。通常來說，當某種微生物——無須人類存在于它生活的環境里，或在人類身上或體內無害生長——狀態轉變成能夠傷害人類，病原體涌現的過程就算發生了。

毫無疑問，新型人類病原體的涌現是我們面臨的最緊迫的問題之一。從業近二十年，我一直致力于揭示那套推動微生物突變的生物學規則和演化力量。當我還在愛爾蘭國立大學讀研究生時，我嘗試確定一些被稱為“毒力島”（也作“致病島”）的大片段DNA，正是它們將致病性霍亂弧菌與其更無害的表親們區分開來。

隨著研究深入，我對病原體涌現問題的興趣與日俱增。此后，我開啟了追逐這種復雜現象的職業生涯。

a. 細菌使通過多種機制來獲取致病DNA?！稗D化”意味著直接從環境中獲取DNA。當有機體通過稱為共軛菌毛的特殊管狀附屬物交換遺傳信息時，就會發生“共軛”?！稗D導”由噬菌體介導。b. 許多可移動的遺傳元件也可以賦予受體細胞毒力特征。轉座子是“跳躍”基因，會導致基因組重排，有時還會攜帶抗生素耐藥性。毒力島（PAI）是可以編碼定植因子的大塊DNA，?，F身于臨床病原菌株中。噬菌體還可攜帶那些編碼毒素或影響發病機制所必需因子的毒力基因。共軛轉座子（ICE）是在共軛過程中轉移并整合到宿主基因組中的元件。膜囊泡是細胞膜的擠壓物，形似小球，它們被分泌到環境中，有的會攜帶毒力基因

在我初出茅廬之時，這個領域也還處于起步階段。當時的主流觀點是，無害微生物獲得某些離散的DNA片段，進而賦予生物以某種特性，例如毒素產生，或能夠定殖于人類宿主。多年來的新發現提供了更廣闊的科學基礎，助我們揭示了“溫良成禍害”與“微生物基因組”之間的關聯。此外，我的小組和其他研究團隊都在嘗試確定是哪些生態因素驅動了對致病性狀和毒株的選擇。各種新發現所揭示的聯系開始給我們提供關鍵工具，有望預測導致新型傳染源涌現的事件和驅動因素，這對于疾病的成功管理和控制至關重要。

病原體涌現的遺傳途徑

病原體涌現是一種動態、復雜且多因素參與的現象，涉及各種遺傳適應和生態驅動因素的相互作用。微生物為演化而生，諸如霍亂弧菌和鼠疫桿菌擁有極其復雜的演化機制，能夠從環境中獲取DNA片段，積累突變，從而以人類等多細胞生物絕無可能實現的方式來適應新環境，它們甚至像是進化機器。

通過基因水平/側向轉移獲得新基因的過程將極大影響病原體涌現。人類只能將基因垂直地代代相傳，微生物卻能夠以水平傳遞方式彼此交換大量遺傳信息，加速演化。微生物從身邊“同行”或周圍環境獲得遺傳物質后，會涌現一些毒力特征。這些特征通常被編碼于可移動的遺傳元件里，例如質粒、毒力島或噬菌體——它們作為水平獲得的因子，在環境中四處游走，之于病原體的涌現可謂意義重大。了解這些機制的復雜性和豐富性，將有助于我們找到恰當方法探測新涌現的病原體，以及開發監測平臺。

微生物可從環境中攝取質粒。長期以來，這種環狀DNA分子的水平攝取被認為與毒素及抗生素抗性等致病性狀的獲得有關，甚至是導致新型病原體涌現的根源，例如原本無害的環境耶爾森菌得到毒性質粒，成為有毒菌株，它的質粒則被稱呼為耶爾森菌毒力質粒（pYV），新版本毒菌能克服宿主的防御機制并定殖于淋巴組織。前文提到的大片段DNA毒力島通常編碼對定殖能力至關重要的基因。例如，引發大流行的霍亂弧菌菌株包含幾個主要的毒力島，其中一個編碼一種稱為“毒素共調節菌毛”的重要腸道定殖因子。噬菌體是有能力感染細菌的病毒，同時也必須寄生于活菌內，在某些情況下可整合至宿主基因組并賦予宿主細胞新的特征。有幾種病原體正是以噬菌體為主要工具實現致病力的。噬菌體導致大腸桿菌0157:H7產生毒性，并擁有了引發流行?。ǔ鲅阅c炎）的能力。此外，噬菌體還將霍亂毒素（腹瀉的緣由）賦予了霍亂弧菌。

并非上述所有元件都直接從周圍環境獲取，例如共軛轉座子（ICE）的轉移通過細菌共軛實現。此過程需要產生連接兩個細菌細胞并允許它們交換遺傳物質的細胞外附屬物，即共軛菌毛。ICE通常編碼提供針對抗生素抗性的基因，幫助細菌在定殖過程中戰勝競爭者，提高其在宿主內的存活率。插入序列和轉座子是小的“跳躍”元件，可在基因組內“跳躍”并插入不同位置。轉座子主要圍繞抗生素抗性相關基因移動。有趣的是，插入序列不同于攜帶和轉移毒力相關基因的毒力島或質粒，它主要通過插入基因來破壞基因。這種字面意義上的DNA移動會導致基因組重排，從而改變基因表達。整合子是一種運動性的DNA分子，可有效捕獲和表達來自環境的外源性基因。整合子所捕獲的主要是與抗生素耐藥性相關的基因，也有一部分可增強毒力和定殖能力。

霍亂弧菌是霍亂的病原體，通常生活在水生生態系統中。人類通過食用被其污染的食物或水而感染。一旦進入小腸，霍亂弧菌就會生長毒素共調節菌毛，分泌霍亂毒素。為取食足夠的脂肪酸，霍亂孤菌分泌更多的霍亂毒素，這會導致電解質失衡，進而引起腹瀉

除了這些典型的水平基因轉移模式，科學家還發現了其他轉移機制，它們可能在細菌病原體涌現的過程中發揮了重要作用。膜囊泡是細胞膜的擠出物，外形似小球，被分泌至環境中的它們攜帶細胞內容物，以及關鍵的DNA。近期有研究顯示，來自致病性大腸桿菌的膜囊泡可能含有編碼毒力因子的基因，這些基因可致非致病性大腸桿菌菌株的細胞毒性增加。此外，最近發現的基因轉移因子（GTA）還包含另一種潛在的水平基因轉移模式：GTA為細菌提供“獨家”服務，將其隨機的DNA片段包裝并注入受體細胞。

避免自我破壞

有眾多機制和載體可助細菌從環境獲得新特征，進而實現可能的重大飛躍，即成為病原體。但生命體的演化并非有的放矢，突變也可能將細菌引向歧途——獲得外來基因片段會破壞微生物的生理機能。鑒于此，大量研究者都致力于確定有利于微生物演化的環境和條件。

事實證明，細菌對它們獲得和表達的基因非常挑剔。這種基因改組受到各類復雜細胞過程的控制。病原體必須小心平衡基因的獲取和表達，新獲得的基因可能有助于其定居人類宿主，但不加選擇地攝取和同化有害基因會危及它們的生存。為此，細菌設計了復雜的方法用以調節DNA獲取和基因表達。相比有利于維持和表達獲得性基因的整合子，DNA同化是會受到抑制的——要么通過CRISPR-Cas系統降解傳入的DNA，要么通過外源基因沉默子阻止其基因表達。CRISPR-Cas系統作為一種劃時代的基因編輯工具受到媒體廣泛關注，不過它們最初的功能是細菌用于降解外來DNA片段的防御機制。

有趣的是，研究人員最近發現CRISPR-Cas系統可以防止與病原體涌現相關的特定基因簇的建立。例如，在小鼠感染肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）期間，靶向莢膜多糖基因的 CRISPR-Cas 序列會阻止這一呼吸道病原體被包裝，最終使得感染無法建立。這些發現有助于解釋為什么許多主要人類病原體的基因組內缺少CRISPR-Cas系統。

基因沉默是另一種被細菌廣泛使用以控制可能與毒力相關的新基因表達的方法——細菌使用外源沉默蛋白結合新基因，從而實現對表達的抑制。這種機制最大程度減小了與外源DNA失控表達相關的潛在負面影響。大腸桿菌內的HN-S等蛋白質是獲得毒力基因的關鍵調節因子，具有相似功能和演化起源的蛋白質也出現于多種主要的人類病原體中，如結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）和銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。

一些細菌病原體是從無害的祖先進化而來的，例如：鼠疫耶爾森菌是腺鼠疫的病原體，它通過獲得三個質粒 pCP1、pMT1 和 pPla 以及許多插入序列而進化；霍亂弧菌獲得了編碼霍亂毒素的CTXphi噬菌體和兩個毒力島VPI-1和VPI-2；志賀氏菌在獲得 pINV 毒力質粒以及三個毒力島（ SHI-1、SHI-2 和 SHI-3）后，便獲得了入侵宿主、生存和擴散所必需的分子

毒力適應性

如果成為病原體所需要的只是獲得一些可移動的遺傳元件，為什么只有少數菌株會引發人類疾??？

賦予霍亂弧菌致病性狀的可移動遺傳元件能很容易地做交換，而且在霍亂流行地區廣泛存在。然而，許多非致病性霍亂弧菌菌株也編碼了這些遺傳元件和發展出霍亂所必需的噬菌體，可它們依然無毒無害——真正能制造大流行的霍亂弧菌就那一種，它們有何特別之處？

這個問題困擾了我的整個研究生生涯。那會兒我正研究水平獲得的DNA在霍亂弧菌中的作用，但直到我成為達特茅斯學院的博士后研究員，我才開始全面、細致地探索它。我基于數據做出了這樣一種推測：那些以致病菌形態出現的菌株具備獨特基因構成，為可移動遺傳元件提供了“肥沃土壤”。幾年后，我有了自己的實驗室，并與同事發現，致病性霍亂弧菌擁有“毒力適應性多態性”，此類變異為它們提供了對毒力的“預適應”。預適應發生在細菌獲得定殖人類宿主的能力之前，且不依賴遺傳物質的水平獲取。

除了病原體基因組出現的特定預適應，宿主體內的某些突變也在幫助微生物獲得毒力適應性特征——此類突變被稱為“致病適應性突變”，通常與微生物所定殖的宿主的組織類型、對新陳代謝所需條件的適應或對免疫系統的逃避有關。致病適應性突變之于病原體涌現的重要作用，可引用一典型案例作說明，那就是致病性志賀氏菌出現的故事。

志賀氏菌是水源性和食源性的病原體，可導致嚴重腹瀉，來自與其密切相關的非致病性共生大腸桿菌，后者需要一種CadA介導的賴氨酸脫羧酶的催化方可于腸道內生長。然而，CadA會抑制志賀氏菌毒素的活性。CadA基因的致病適應性突變在各種志賀氏菌身上獨立發生，使得其毒素活性不再受抑制，由此，共生大腸桿菌中的致病性志賀氏菌便涌現了。

這些突變還令致病性大腸桿菌得以在新組織中定殖并適應新的生態位。例如，超過90%的共生大腸桿菌會表達一種稱為“甘露糖敏感性1型菌毛”的基因，并借助此菌毛定殖腸道。該基因的致病適應性突變有助于細菌更緊密粘附于泌尿道內壁，從而改變大腸桿菌可定殖組織的類型。這種變化最終導致從腸道共生菌向尿路感染致病菌的演化。其他主要毒力表型（包括對宿主防御機制的抗性等）的出現，也與致病適應性突變有關。例如，囊性纖維化患者的肺部易感染共生膿腫分枝桿菌（Mycobacterium abscessus），后者能很好地適應此類肺組織，其發生了大量基因突變，進而提高自己在巨噬細胞內的存活率。

上述例子都強調了獨特基因組適應于病原體涌現的意義——它們與水平獲得的DNA似乎構成了驅動這種復雜現象的主要分子因素。我的大部分研究都圍繞著一個關鍵問題：哪些進化力量選擇了這些致病特征？

意外得到的致病性

致病菌進化的一個主要驅動力來自被掠食。自然環境下的細菌必須面對噬菌體、變形蟲等原生動物和蛭弧菌等掠食性細菌的攻擊，竭力求得生存。針對此類威脅的各種防御機制的演變，也往往會機緣巧合地創造一些遺傳“紅利”，使細菌發展出有利于向人類定殖的毒力特征。例如，嗜肺軍團菌（Legionella pneumophila）、大腸桿菌和綠膿桿菌擁有的一部分防御機制不僅幫助它們避開掠食者，更為其定殖人類宿主奠定基礎。

由嗜肺軍團菌引起的軍團病是一種嚴重的肺部疾病，也是一個反映毒力“隨機演化”的典型案例。嗜肺軍團菌在淡水水庫和潮濕土壤里的發展傳播，取決于它們在原生動物（如卡氏棘阿米巴原蟲）中的生存繁衍。它們的毒力特征因其與水生原生動物的相互作用而演化，“隨機演化”后的病原體更善于在人類肺泡的巨噬細胞內生存?？梢赃@么說，細菌大隊已經從它們的真核宿主處獲得了大量基因。例如，嗜肺軍團菌的鞘氨醇-1-磷酸裂解酶（LpSpi）在鞘脂生物合成中發揮著作用，而鞘脂生物合成幾乎不會出現于細菌身上，原生動物倒是能進行這項生化過程；LpSpi調節原生動物宿主的新陳代謝，通過阻止感染后自然發生的細胞死亡過程，以幫助嗜肺軍團菌生長。有趣的是，該基因與它們的真核宿主相關——這表明了從卡氏棘阿米巴原蟲到嗜肺軍團菌的水平基因轉移。

不光是嗜肺軍團菌，整個軍團菌大家族都從真核生物那里獲得了基因。變形蟲可能是未來致病菌們的訓練場，因為它們體內正蓬勃生長著多樣化（生態學和系統發生學意義上的）的細菌，后者得到的特征將幫助其定殖人類，引發疾病。

鑒于上述種種，我們能夠做出可靠推斷，那就是自然環境及其居民可以成為最終導致病原體涌現的選擇性媒介。隨著人類不斷改變自然環境，細菌向人類“殖民”道路或許將越發寬廣。

生態干擾與病原體

人為的生態干擾，例如氣候變化或生態系統污染，正極大影響致病菌的傳播和擴散，加速其獲得抗生素耐藥性，增加新病原體涌現的可能性。過去幾十年間，海洋變暖導致弧菌細菌總數及其相關感染的數量顯著增加。環境細菌中的抗生素耐藥性正急劇增加，這在很大程度上是因為人類向農場飼料添加抗生素，在果園里施用抗生素以防作物病害。大雨造成的化肥徑流導致河口與湖泊出現藍藻水華。我們最近發現，這些水華會導致弧菌快速增殖生長。有趣的是，此前一些研究顯示，霍亂病例與孟加拉灣的藍藻水華存在直接關聯。

森林砍伐、城市化和農業擴張等用地變化破壞了生物多樣性和食物網結構，也導致棲地碎裂化。人類引起的生物棲息地喪失也將包括病原體在內的很多非本地物種引入人類居所，增加了宿主與病原體的相互作用，最終導致人類、家畜和野生動物遭逢新疾病。例如，秘魯亞馬孫河流域南部的森林砍伐和土地擾動與鉤端螺旋體病和巴爾通體病這兩種人鼠共患病的發展流行有關；美國東北部的森林碎裂化導致人類感染萊姆病風險增加，原因在于大量白足鼠活動于被人類入侵的林區，而白足鼠又是蜱傳病原體伯氏疏螺旋體，即萊姆病病原體的超級傳播者；巴西的森林砍伐活動已被證明會影響巴西斑疹熱——由媒介傳播的立氏立克次體引起——感染風險。

過去80年間的新發傳染病事件中，大多數為動物傳染病病原體向人類宿主的外溢，其中一半以上是由細菌導致的。然而，除了研究環境擾動如何影響病原體傳播或抗生素耐藥性，很少有學者會去調查這些變化如何“影響細菌成為致病菌的可能性”或“驅動細菌獲得新的致病特征”。這是我們當前認知中還欠缺的內容，若能理解其中科學機制，我們預測和識別潛在病原體來源的能力將得到前所未有的提升。

預測病原體涌現

病原體的涌現是一種動態而復雜的現象，與之相關的研究極具挑戰。例如，我們通過研究哪些變量來尋找關聯？我們如果找到了一個變量，又怎樣才能把相關性轉化為因果關系？我們需要多長時間和多少樣本來生成準確的預測模型？最重要的是，有無可能建立一個切合實際且高性價比的監測框架？

對環境的各種人為干擾活動正在促進病原體的傳播和擴散，例如氣候變化、抗生素和化肥的過度使用以及森林砍伐

我和我的團隊最近旨在通過踐行一種整體性的方法來回答其中一些問題。我們結合生態學、計算生物學和分子遺傳學，剖析促進毒力性狀和致病性選擇的驅動因素；我們聚焦創傷弧菌（Vibrio vulnificus）——一種會在傷口繁殖、侵蝕人肉的致命水生細菌，以其作為模型系統，表明了生態系統如何產生選擇壓力，促進自然種群里出現具有致病潛力的特定菌株，最終研究結果發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）。這些見解可應用于預測框架，以評估病原體涌現的風險。我們現在是可能做到有效預測突發事件的，公共衛生與疾病管控事業將因此獲益。

測序技術的成本越來越低廉，它們的廣泛使用有助于解決病原體涌現的根源。例如，當我們能通過技術檢查給定環境下的微生物群落及其演化，我們也就可以確定自然因素和人類活動對生態系統的影響。這些方法還可用于識別風險因素，例如某細菌種群中具有致病潛力的菌株的流行，或環境儲庫中已知毒力因子的可獲得性。使用這些技術獲得的數據可就新病原體涌現事件的可能性提供有價值的見解。此外，將基因組信息與目前使用的基于細胞培養或PCR的自然棲息地監測相結合，有望提供一種全面、深入且經濟實惠的監測潛在病原體來源的方法。這種監測網絡和風險因素分析將幫助我們識別和分類高風險棲息地，例如優先選擇特定地點和季節來對河流和湖泊進行采樣，識別市場上存在相當風險的某些動物和肉類，以及監測特定的嚙齒動物或昆蟲種群。

除了有望幫助預測病原體涌現，上述方法也能于災禍發生后發揮作用。例如，圍繞導致疫情的環境和遺傳因素的回顧性分析，可為預防突發事件提供信息。我們最近用這種方法分析了20世紀90年代在拉丁美洲造成數千人死亡的霍亂，并收獲重要的經驗教訓，這些經驗有助于指導未來的防疫抗疫工作。

資料來源 American Scientist