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

一段時間以來，我們已經(jīng)知道，過度使用抗生素會通過快速傳播抗生素抗性基因，導(dǎo)致細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，也是進化方式促進微生物中基因含量經(jīng)濟性的方式的根本改變。

通常，根據(jù)進化論，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)正在把細菌變成貪婪基因產(chǎn)品的“基因資本家”，從而推動了一個更意想不到的進化過程。

一項新的研究發(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個不同基因(由大腸桿菌在1884年至2018年間收集)，這是一個涉及29255個菌株的基因組細菌的大規(guī)模基因數(shù)據(jù)集，因此進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，是否會在細菌譜系中大量存在(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，是否會通過正常的進化過程消失。這叫做“穩(wěn)定選擇”。

在一個正常的、不受干擾的世界里，進化過程會修正細菌基因組的變化，以解決“成本”問題。通過增加一個額外的基因，額外的成本通過增加細菌的進程而增加。自然選擇可以在變化和更大或更長期的生存參數(shù)(如更快的生長和更多的繁殖)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。

幫助細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，但它們對細菌的生存從未如此重要。廣泛存在于細菌基因組中。根據(jù)進化理論，人們期望這些基因在不再需要時消失，就像細菌工具箱中攜帶的巨大且高度可維護的工具一樣。

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：“細菌不斷受到來自其他微生物的競爭壓力，它們在爭奪資源和空間，或者防御攻擊。”?！按竽c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使細菌譜系不適合。

他說：“在沒有抗生素的選擇性作用的情況下，細菌譜系會進化并失去產(chǎn)生抗生素抗性的基因——任何不需要的東西。這是一個穩(wěn)定的選擇——細菌譜系應(yīng)該恢復(fù)到野生型，或者通過選擇性的強制淘汰?！笔堑?。

然而，恰恰相反，在大腸桿菌過去134年的進化史中，這項研究發(fā)現(xiàn)，它更有可能保留賦予抗生素耐藥性的基因變化，而不是通過長期選擇失去它們。

詹尼斯說：“我們研究的大多數(shù)基因在細菌譜系中獲得了，但很少丟失。”“想象一下攜帶所有這些基因(有時多達30個)如何影響細菌的進化適應(yīng)性?！?

雖然細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或多個——或者多達三十多個抗生素抗性基因?！?我們通過抗生素的工業(yè)化發(fā)揮了巨大的力量."

然而，這項研究也表明，并不是所有賦予大腸桿菌耐藥性的基因都會受到新的進化壓力的同等影響。這項研究追蹤了基因賦予耐藥性的五種不同方式，并測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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