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研究表明 抗生素抗性基因通过基因资本主义在大肠杆菌中持续存在

导读一段时间以来,我们已经知道,过度使用抗生素会通过快速传播抗生素抗性基因,导致细菌中抗生素抗性的惊人增加。这可能不仅是这些基因的传播

一段时间以来,我们已经知道,过度使用抗生素会通过快速传播抗生素抗性基因,导致细菌中抗生素抗性的惊人增加。这可能不仅是这些基因的传播,也是进化方式促进微生物中基因含量经济性的方式的根本改变。

通常,根据进化论,种群中常见的基因是通过自然选择来选择的,具有特定基因的生物的生存是通过经济的、无意义的成本收益分析来决定的。然而,现在看来,人类的过度干预正在把细菌变成贪婪基因产品的“基因资本家”,从而推动了一个更意想不到的进化过程。

一项新的研究发表在本期刊最新一期的分支系统学上,分析了大肠杆菌的409个不同基因(由大肠杆菌在1884年至2018年间收集),这是一个涉及29255个菌株的基因组细菌的大规模基因数据集,因此进化出的菌株可以抵抗各种抗生素。研究人员研究了赋予抗生素抗性的基因一旦获得,是否会在细菌谱系中大量存在(这种现象被称为“基因资本主义”),或者一旦它们不再需要生存,是否会通过正常的进化过程消失。这叫做“稳定选择”。

在一个正常的、不受干扰的世界里,进化过程会修正细菌基因组的变化,以解决“成本”问题。通过增加一个额外的基因,额外的成本通过增加细菌的进程而增加。自然选择可以在变化和更大或更长期的生存参数(如更快的生长和更多的繁殖)之间取得平衡,理论上,“稳定选择”过程应该通过有助于消除不必要成本的基因来主导市场。

帮助细菌抵抗抗生素化合物(由其他微生物释放的抗生素,现在用于人类医学和农业)的各种基因可能已经存在了十亿多年,但它们对细菌的生存从未如此重要。广泛存在于细菌基因组中。根据进化理论,人们期望这些基因在不再需要时消失,就像细菌工具箱中携带的巨大且高度可维护的工具一样。

发现“稳定选择”不再是抗生素抗性基因的进化规律。

北卡罗来纳大学夏洛特分校生物信息学和基因组学教授卡罗尔格罗特贝尔克(Carol grotte belk)和该研究的通讯作者丹尼尔詹尼斯(Daniel Janis)表示:“细菌不断受到来自其他微生物的竞争压力,它们在争夺资源和空间,或者防御攻击。”。“大肠杆菌的能量预算非常紧张——据说即使给基因增加额外的碱基也会使细菌谱系不适合。

他说:“在没有抗生素的选择性作用的情况下,细菌谱系会进化并失去产生抗生素抗性的基因——任何不需要的东西。这是一个稳定的选择——细菌谱系应该恢复到野生型,或者通过选择性的强制淘汰。”是的。

然而,恰恰相反,在大肠杆菌过去134年的进化史中,这项研究发现,它更有可能保留赋予抗生素耐药性的基因变化,而不是通过长期选择失去它们。

詹尼斯说:“我们研究的大多数基因在细菌谱系中获得了,但很少丢失。”“想象一下携带所有这些基因(有时多达30个)如何影响细菌的进化适应性。”

虽然细菌耐药性增加并不是什么新发现,但Janis指出,这一现象的发生范围表明,大规模的人类干扰正在导致大量基因ho产物的出现,这些产物赋予抗生素耐药性,这在正常的进化压力下是不可能的。

詹尼斯说:“自从抗生素工业化以来,我们已经看到,让大肠杆菌繁荣或存活的成本需要一个或多个——或者多达三十多个抗生素抗性基因。”"我们通过抗生素的工业化发挥了巨大的力量."

然而,这项研究也表明,并不是所有赋予大肠杆菌耐药性的基因都会受到新的进化压力的同等影响。这项研究追踪了基因赋予耐药性的五种不同方式,并测量了这些大类抗生素之间的差异,即它们是否被从稳定选择推向基因资本主义。

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