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化繁為簡,威力更強——農業與病原的演化

更新於 發佈於 閱讀時間約 6 分鐘

回歸熱(relapsing fever)顧名思義,就是會發燒、退燒後再發燒的一種疾病。大多數回歸熱是由「蜱」來傳播的,但有一個特例,就是回歸熱疏螺旋體(Borrelia recurrentis),它是靠人蝨(Pediculus humanus)在人與人之間傳播。

蝨子在糞便或身體被抓破後,讓細菌進入人體,引發急性高燒。在過去沒有抗生素治療的時代,這種病的死亡率可高達 10% 到 40%。

由於大多數回歸熱是由「蜱」傳播的,所以研究團隊想:為什麼回歸熱疏螺旋體會從「蜱傳播」變成「人蝨傳播」呢?

要發生這樣的轉變,必然涉及宿主生態的改變(人類與動物關係)以及病媒(蝨與蜱)的生活史與棲地偏好。

怎麼說呢?因為人蝨不像蜱,人蝨只能生活在有人類衣物縫隙與皮膚皺褶的環境中,所以這個改變可能意味著,人類物質文化發生了變化,有利於新的傳播形式。

透過對英國四具古人類骨骸牙齒中的 DNA 定序,科學家重建了這段演化史,發現這個病菌是從另一個由蜱傳播的近親達氏疏螺旋體(B. duttonii) 演化而來。兩者的分家時間大約是 6000 到 4000 年前,正好對應到人類開始定居、馴養家畜、穿上羊毛衣服的時代。

這是否會有影響呢?科學家查閱文獻資料發現,過去有研究指出,羊毛比植物纖維更適合蝨子附著與產卵(粗糙表面、保溫、易藏身);因此,衣物材質與傳染病傳播之間的關係變得極為關鍵。

你沒看錯!穿羊毛衣服可能讓蝨子更容易繁殖——因為羊毛粗糙的材質很適合牠們產卵。人類的生活型態改變,無意間就為這種病菌創造了新的傳播機會。

從蜱到蝨,這個病原發生了什麼變化呢?令人驚訝的是,這個病菌的基因竟然不是變得更多,而是變得更少了,卻變得更危險了。

相較於透過蜱傳播的親戚,回歸熱疏螺旋體損失了很多基因(大約少了四分之一),尤其是那些位於質體(plasmid)上的基因。研究團隊發現,這種簡化過程大約從 2300 多年前的鐵器時代就開始了,到了中世紀仍在持續。

甚至有些原本負責「質體分裂」的關鍵基因(如 Soj)也不見了,取而代之的是新的替代基因(如 ParA)。這代表病菌在「簡化基因體」的同時,也會選擇性地加入新的工具來維持功能。

這種病菌還有個絕招:變臉!它會利用叫做 vmp 的變異蛋白來改變外觀,躲過宿主免疫系統的追殺。但隨著演化,雖然有些版本還具備完整功能,但也有些版本的vmp已經變成「假基因」,無法產生正常蛋白。

研究團隊發現,雖然它的基因變少了、但是「能騙人」的策略還在,這可能是它在與人類長期共演化中保留下來的關鍵武器。

看到這裡,讀者可能會想:變成假基因怎麼會還有功能呢?

這就是有趣的地方了。一般來說,假基因是指基因序列中出現了致命錯誤(如終止密碼、框移突變等),導致轉錄後的 mRNA 無法產生有功能的蛋白質。

但是這個定義主要來自靜態序列分析,不能完全代表在體內表現的真實狀態。

研究團隊發現,在回歸熱疏螺旋體中的vmp (variable major proteins),包括 vlp 與 vsp,位於質體上,是回歸熱螺旋體專用的免疫逃避武器。

它們靠「抗原變異」機制運作:大量儲存不活化的 vmp 拷貝,隨機活化不同的版本,讓免疫系統追不到。

這些基因聚在一起,形成一組可表現位點(expression locus),內有許多沉默但完整的 vmp 版本,可以隨時轉移過去。

更有意思的是,雖然在現代回歸熱疏螺旋體的基因體中,有些 vmp 雖然成了假基因,但是它們的序列仍可能被用作「片段轉換模板」,透過重組或拷貝轉錄的方式產生新的變異形式;甚至有些所謂「假基因」的突變,竟然還能透過非典型機制(如滑移翻譯、重啟密碼子)產生低量但有功能的蛋白質。

也就是說,即使部分 vmp 成為假基因,系統整體仍保有抗原變異的能力,只是可能效率降低、變異範圍縮小。

這也顯示出螺旋體的策略:寧可保留錯誤基因、也不輕易丟棄,因為「舊皮」還能翻修、參考再利用。(這讓我想到我常因為「以後可能有用,而保留了許多雜物⋯)

所以,研究團隊給我們的重要提醒是:人類的文化改變,會為病原創造新的機會。

而且,不只是農業化、與居住密度增加會影響病原傳播,甚至衣著的改變(羊毛衣服),也可能無意間替某些病菌開了方便之門。今天我們面對 COVID-19、大腸桿菌、猴痘等傳染病,也該問問自己:我們的生活方式,是否早已成為病原的溫床?

也許,下次當你披上溫暖的羊毛外套時,可以想起這些歷史留下的蛛絲馬跡——文明與病原,從來不是平行線。

參考文獻:

Swali, P., Booth, T., Tan, C. C. S., McCabe, J., Anastasiadou, K., Barrington, C., Borrini, M., Bricking, A., Buckberry, J., Büster, L., Carlin, R., Gilardet, A., Glocke, I., Irish, J. D., Kelly, M., King, M., Petchey, F., Peto, J., Silva, M., ... Skoglund, P. (2025). Ancient Borrelia genomes document the evolutionary history of louse-borne relapsing fever. Science, 388(6657), eadr2147. https://doi.org/10.1126/science.adr2147


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