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。
撰文｜莊宇真
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。
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：
- Whited JL & and Tabin JC. Limb regeneration revisited. J Biol. 2009; 8(1): 5.
- 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.
- Nowoshilow S, et al. The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators. Nature 2018; 554: 50-5.
- Scimone ML, et al. Orthogonal muscle fibres have different instructive roles in planarian regeneration. Nature 2017; 551: 623-28.
- 國家衛生研究院電子報第405期。
- Navon-Venezia S, et al. Klebsiella pneumoniae: a major worldwide source and shuttle for antibiotic resistance. FEMS Microbiology Reviews 2017; 41(3):252-75.
- 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.
- 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，
