2011-06-10

噬菌体可能是欧洲大肠杆菌疫情真正的罪魁祸首

志贺毒素生成的噬菌体可能是此次欧洲疫情的罪魁祸首,更可怕的是,这种噬菌体正在不断加剧地传播,这意味着更加不寻常而危险的菌群很可能即将出现。


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女人、豆芽、黄瓜、细菌、牛,这些都是当下欧洲大肠杆菌爆发大戏的演员阵容。现在,我们应该把噬菌体也加进去了。噬菌体是一种可以感人细菌的病毒,它是引起这次疫情诸多因素中的关键一环。

细菌感染往往由被污染的食物引起,但是现在疫情已经爆发六周之久了,如何发生的线索正在逐渐消失。确定究竟谁是真凶已经非常困难,但是通过此事,必须对了解传染性细菌如何进入食物链这一问题引起足够的重视。

德国疫情中病人的案例研究将矛头指向了沙拉蔬菜,黄瓜和豆芽都存在嫌疑。这些蔬菜很可能被来自土壤和水源中的细菌污染,但更有可能的是动物带来了这些细菌。致病性的大肠杆菌通常由反刍动物(牛羊)传染给人类,传播途径包括其粪便污染食物链或者奶类、肉类消费。

但是,致病性大肠杆菌如何变得如此可怕?这便是噬菌体干的好事了。本次爆发的细菌,其链结构为 O104:H4,构成志贺霉素。这种霉素通常会导致病人严重腹泻和肾脏损伤,而大肠杆菌会导致进一步恶化为溶血性尿毒症。志贺毒素的基因实际上并不是细菌的基因,而噬菌体的基因表现为传染性细菌。所以,当大肠杆菌细菌被由志贺毒素产生的噬菌体感染后,就变得具有致病性了。

我们使用的抗生素可能会帮助那些病毒性基因传播。当一个细菌遭遇到某种它曾经经历过的一种抗生素时,这成为SOS反应,将会导致噬菌体复制的开始。大量复制的噬菌体将导致细菌细胞迸裂,释放出噬菌体。与此同时,毒素也会被释放,这就是为什么抗生素往往对治疗大肠杆菌感染无效。

保护的代价

链结构 O104:H4 诸多不寻常的特征之一为它具有对多种抗生素的耐药性。这意味着不论细菌从何而来,都会对一些抗生素均被一定的抵抗能力。英国利物浦大学的微生物学家 Heather Allison(希瑟-艾莉森)和位于华盛顿特区的食品安全咨询公司列维特伙伴的执行董事 David Acheson(大卫-艾奇逊)认为,在农业和环境中滥用抗生素可能会促进志贺毒素生成的噬菌体的传播。

Acheson 在美国马萨诸塞州德福德的塔夫特大学领导一个研究小组的时候曾对此课题展开过研究,上世纪九十年代他们曾从分子层面研究了志贺毒素引起的大肠杆菌的致病机理。Acheson 表示,他的团队在对老鼠的实验中曾经观察到,志贺毒素产生的噬菌体在面对丙环沙星这种治疗用的抗生素时,可以在体外和肠道内游走。对此,Acheson 非常肯定,但是他也同时指出这只是实验室观察。

他们在实验室里观察到了这一现象,但是很难在环境中找到实例。滥用抗生素绝对会带来广泛的环境危险,它存在通过噬菌体释放而产生新病原体的可能性。—— David Acheson

农业中使用的抗生素可能是罪魁祸首。“反刍动物胃里的噬菌体特别多。”设于意大利罗马的研究志贺毒素生成大肠杆菌的欧洲参考实验室的 Alfredo Caprioli(阿尔弗雷多-卡普里奥里)说道。而且,胃部只是噬菌体在不同细菌中穿梭已经新致病菌株产生的一个地方。

由志贺毒素引起的腹泻已经困扰人类数个世纪了,这一类细菌被称为志贺氏杆菌。在1897年日本爆发痢疾传染病时,日本医学博士樱冢澈志贺发现了这种细菌并第一个将其命名为志贺毒素。根据 Allison 的说法,志贺毒素生成的噬菌体可能继承了志贺毒素的基因编码,以及,1980年代以后,这些剧毒的基因被传播到了其他细菌中,这其中就包括许多大肠杆菌菌株。

我们正在发现越来越多的志贺毒素生成的菌群。—— Alison Weiss(艾莉森-维斯,俄亥俄州辛辛那提大学生物学家)

志贺毒素生成的噬菌体究竟如何在短短几十年里如此广泛的传播?Allison 认为这是由于他们与众不同的特性。他们通过附着在一种叫做 BamA 的蛋白质表面的方法来感染细菌,这将使他们可以有更广阔的寄宿区域。大多数噬菌体只能感染一个宿主细胞一次,但是志贺毒素生成的噬菌体可以多次感染同一个细胞,这将是它们致病的潜在可能性大大提升。而且他们还可以在宿主之外生存,比如土壤和水源中。

Weiss 补充说明道,那些被噬菌体寄宿的细菌同时获得了生存优势,他解释道:

一旦这些细菌暴露在环境当中,比如在肥料中,它们就将以吞噬微生物生存,比如原生动物。这些毒素可以杀死其他的微生物,让这些细菌更有生存优势。—— Weiss

并非只有大肠杆菌菌株被志贺毒素感染,似乎其他不同种类的细菌也同样被感染。基因组链结构 O104:H4 已经被识别,它与大肠杆菌的基因链结构有很大相似之处。

大肠杆菌菌群并不是典型的动物性感染细菌,而且大肠杆菌和志贺毒素的结合也并不寻常。—— Caprioli

志贺毒素生成的噬菌体不断加剧的传播意味着,更加不寻常而危险的菌群很可能即将出现。


本文的英文原文刊载于6月9日出版的《Nature》杂志,Scientificamerican.com 授权转载


原文信息

标题:Phage May Have Been Key to Europe’s Deadly E. Coli Outbreak
作者:Marian Turner
链接:http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=phage-key-to-european-deadly-ecoli-outbreak

夏天

夏天,工学博士,磨洋工。 主要研究方向:高温合金,纳米结构材料,粉末冶金技术。领导一个创业项目,入选龙城英才计划,自我感觉良好。

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