生命會為自己找到出路(一):再生與基因竊取

■面對環境裡種種對生命的威脅,大自然裡有多種令人驚訝的存活策略,帶給我們震撼與啟示。

DANTÉ FENOLIO/SCIENCE SOURCE

 撰文|莊宇真

●再生復原

以人類而言,身體的自我復原能力是十分有限的,例如:傷口癒合、部分肝臟的再生、斷肢接回等,但僅止於此而已。面對超出自我復原以外的,大多以器官(組織)移植為最主要的解決途徑;然而,一來並非所有器官或組織都適合移植,再者,器官組織來源的不足也始終是一大問題。

而新興的再生醫學,結合幹細胞、組織工程、3D列印等技術,雖然已有例如血管組織、耳朵(軟骨)、肝腎組織等的研究,但目前大多還在發展中的階段。

相較之下,美西螈(axolotl)恐怕是最讓人類羨慕的了。美西螈又稱「墨西哥鈍口螈」,或被暱稱為「六角恐龍」,是一種大型蠑螈(salamander)。這種生物看起來像是長著粗短小腿的鰻魚,約莫20公分長。美西螈具有令人驚豔的再生能力,當牠失去任一隻腿、或甚至是尾巴時,能夠再次長出一模一樣的構造;這意味著,牠能夠再生的部分,包括了脊髓、骨骼、以及肌肉。

過去研究推測,當美西螈的肢體受損時,會有多種組織同時合作,包括偵測喪失的肢體與進行組織再生。在這個過程中,生物會啟動一個特定的基因組;而這個基因組,則與胚胎發育時,引導幹細胞發育成該特定構造(例如四肢、尾巴)的,是相同的基因組[1,2]。2018年1月,一個來自德國與維也納的研究團隊,終於完成美西螈的基因解碼[3];美西螈擁有320億個鹼基對,比人類還要多出十倍之多,也因此大幅增加了解碼的時間與困難度。在這之後,將可提供研究者更便利地探索美西螈基因與再生能力間的關係。

美西螈是動物界中擁有傲人再生能力的佼佼者之一。其他,像是扁形動物門(Platyhelminthes)中的渦蟲(planarians),則更是有過之而無不及;即使是在失去將近90%的身體後,都還能長回來。在這個僅約1~2公分大小的水生小蟲身體裡,竟然能再生出包括大腦、皮膚、腸道、以及其他所有具功能性的器官。同樣地,幹細胞是渦蟲之所以具有如此驚人再生能力的關鍵,並搭配一個特殊基因組,負責指揮幹細胞應如何進行再生工作,也就是能適時活化對應細胞裡(如皮膚、神經、各種器官等)負責生長與分化(specialization)的基因[4]。

無論是渦蟲從一小片身體碎片中重建自我,或是美西螈在軀幹無損的狀況下再生肢體,這些都歸功於基因組與幹細胞之間的合作。透過對這類生物進行基因分析與研究,研究者希望能從中找出有利於再生醫學發展的秘密,實際運用到人類醫療之中。

●竊取基因以求生存

克雷伯氏肺炎桿菌(Klebsiella pneumoniae)屬於伺機性感染的細菌,正常少量存在健康人的呼吸道與腸道中,但對於免疫力低下的病人而言,則可能引發各種高死亡率的感染症狀[5]。

K. pneumoniae同時也是常見醫院院內感染的致病菌之一,且以其對於抗生素的多重抗藥性惡名昭彰。而這正與牠數十億年來的復原策略有關;面對如抗生素的痛擊下,K. pneumoniae能夠從其他細胞裡「相借」基因一用,好讓自己生存下來。

當環境發生劇變,生物體通常只有適應與死亡兩條路可走。然而,對於如K. pneumoniae與其他細菌而言,牠們有一套與眾不同的適應策略,那就是從外界撿拾基因,包括來自其他細菌、以及散落於環境裡的DNA片段等[6]。透過此種水平基因交換的方式,細菌因此獲得了新的特性,使牠們得以在無論是美味的起司、還是欲取其性命的抗生素裡,皆取得最後的生存勝利。

研究者們推測,具有抗藥性的K. pneumoniae所帶有的抗生素干擾基因(blaKPC),即是從其他細菌身上所得來的;而配備有此基因的細菌,皆可製造出能將多種抗生素切斷的酵素,例如:大腸桿菌(Escherichia coli)[7]、奇異變形桿菌(Proteus mirabilis)、陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacae)[8]等。

不過,如同其他自然界裡的生存策略,竊取基因同樣有其代價。有時,微生物也可能取得對自身有害的基因。或者,就像是團體裡新加入的成員一樣,新基因所製造的蛋白,不見得能與其他蛋白之間相容。

而這次的竊取,對K. pneumoniae來說是極為成功的,只是對我們人類是一大威脅;受此種抗藥性K. pneumoniae感染的病人裡,有40-70%的死亡率。

(待續)

 

報導出處:From stealing genes to regrowing limbs, how life finds a way to survive and thrive

參考文獻:

  1. Whited JL & and Tabin JC. Limb regeneration revisited. J Biol. 2009; 8(1): 5.
  2. Sobkow L, et al. A germline GFP transgenic axolotl and its use to track cell fate: Dual origin of the fin mesenchyme during development and the fate of blood cells during regeneration. Developmental Biology 2006; 2(15): 386-97.
  3. Nowoshilow S, et al. The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators. Nature 2018; 554: 50-5.
  4. Scimone ML, et al. Orthogonal muscle fibres have different instructive roles in planarian regeneration. Nature 2017; 551: 623-28.
  5. 國家衛生研究院電子報第405期
  6. Navon-Venezia S, et al. Klebsiella pneumoniae: a major worldwide source and shuttle for antibiotic resistance. FEMS Microbiology Reviews 2017; 41(3):252-75.
  7. Girlich D, et al. Promoter characterization and expression of the blaKPC-2 gene in Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and Acinetobacter baumannii. Journal of Antimicrobial Chemotherapy 2017; 72(6): 1597-1601.
  8. Marschall J, et al. Presence of the KPC Carbapenemase Gene in Enterobacteriaceae Causing Bacteremia and Its Correlation with In Vitro Carbapenem Susceptibility. J. Clin. Microbiol. 2009; 47(1): 239-41.

 

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作者:莊宇真,畢業於交通大學科技法律研究所,現任生物醫學倫理領域專任研究助理。人生最樂之事莫過於找到自己的志業,寫作之於我正是如此。為城邦部落格《健康知心》之格主,擔任國內《熟年誌》雜誌醫藥新知特約作者。知識是觸角,讓人掌握世界;健康是財富,讓人享受人生。

 

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