細菌模型幫助我們了解我們的身體如何避免細胞群體激增與癌症

為了使任何群體數大小始終維持穩定，其生育率與死亡率必須達到平衡。若生育率過高，可能會造成族群爆炸性的增長；若過低，族群則會萎靡。例如，我們的身體大約由十兆個細胞構成，就存在著這種平衡。當我們成年後，我們的幹細胞可能會為了更新身體組織而分裂，但在經過數次分裂之後，這些細胞會變成熟，並在分裂數次之後死亡。而我們只會在這種平衡受到破壞時才會注意到這個現象，例如當細胞無限制地分裂並形成癌症時。

因此，分裂細胞與成熟細胞之間的平衡是任何多細胞生物存在的基本條件，然而，這種平衡是如何維持的呢？在最近發表於《細胞》期刊的一項新研究中，來自以色列魏茨曼科學研究院（Weizmann Institute of Science）的研究人員利用單細胞生物來更深入理解多細胞生物如何維持這種平衡，並保護自己免受癌症的威脅。

細胞分化是一種生物的「專業化訓練」，其中幹細胞分裂成兩個子細胞，其中一個子細胞擔任特定角色並獲得履行該角色所需的特性。當細胞進行分化時，它們的新專長對所屬的多細胞生物體而言有益處，但對於個別細胞而言則須付出沉重的代價：隨著它們在專業化之路越走越遠，它們的複製能力會逐漸減弱，最終完全喪失分裂的能力。這種分化細胞的緩慢分裂使它們容易受到那些以更快速度分裂和增長的細胞群體威脅，這些快速增長的細胞因此能夠佔據整個組織並消耗其資源。例如，在某些類型的血癌中，骨髓中的幹細胞會發生突變，這種突變減緩了它們的分化過程，使它們能夠產生更多的幹細胞子細胞。突變細胞便利用了分化過程中自然產生的弱點，藉由一種稱為突變體取代的過程，取代了健康細胞群體。

儘管在我們體內每次細胞分裂平均會發生一次突變，但大多數人在經歷無數次細胞分裂後，仍能享有數十年的健康生活，而不會出現突變體取代正常細胞的情況。這說明，即使在複雜的生物體中難以察覺，仍然存在有效的機制來應對這種威脅。魏茨曼科學研究院分子細胞生物學系Uri Alon教授的研究團隊決定對大腸桿菌進行基因工程，使這些通常不會分化的細菌經歷人工分化，以便研究人員能夠研究細胞群體如何應對突變體取代的問題。

「使用大腸桿菌模型有許多明顯的優勢，其中之一是其世代時間短，讓我們能夠在實驗室中觀察數百個世代中突變體的演替」，引領這項研究Alon教授實驗室的David Glass博士解釋道。為了產生具有分化能力的大腸桿菌，研究人員從一種念珠藻的藍綠藻中獲得靈感，這種藻類在缺乏氮源的環境中，會透過切除其DNA的某些片段來進行分化。儘管分化後的細菌喪失了分裂的能力，但它們獲得了一個重要的生存優勢：為自己和整個菌落提供氮的能力。

為了在大腸桿菌模型中模擬分化過程，科學家將細菌培養在含有抗生素但缺乏必需胺基酸的環境中。利用基因工程，他們在每個細菌中插入了多個抗生素抗性基因和多個製造環境中缺失的必須胺基酸的基因。人工分化過程開始之前，也就是細菌處於類似於幹細胞狀態時，抗生素抗性基因是活化的，因此細菌能夠於抗生素的存在下以高速度進行分裂和分化。當分化過程開始，藉由切除抗生素抗性基因，細菌逐漸失去了分裂和分化的能力，但卻獲得了一個生存優勢：DNA的切割逐漸活化了產生必需胺基酸的基因。

「為了確定哪種分化速度最為有效，我們讓11株大腸桿菌進行競賽，每一株的DNA片段切除速度（也就是分化速度）都不同。」Glass博士解釋道。「我們將這些細菌等量混合，培養幾天之後檢查哪一種細菌成功存活下來。我們發現中等分化速度的細菌在競爭中表現出非常強的優勢，並發現這些中等分化速度的菌株在其群體中維持了最佳的細胞類型平衡。在任何時刻，只有少數細胞是「純幹細胞」或「完全分化細胞」，而大多數細胞處於分化過程中的中間狀態。」

這種最佳的中等分化速度在人體的各類系統中都有所體現，其中幹細胞、處於不同分化階段的前驅細胞，以及偶爾死亡並被新細胞取代的分化細胞之間維持著數量上的平衡。

為了穩定維持族群規模，在環境條件發生變化的情況下維持這種平衡相當重要。為了確定模型中的細菌能否在環境條件改變下仍然維持平衡，研究人員將它們在36種不同的抗生素和胺基酸濃度組合的培養基中培養。「我們發現，在所有除了最極端的狀況（例如完全沒有抗生素）之下，細胞的最佳分化速度仍是保持在中等範圍內，且平衡得以維持」，Glass博士解釋道。「這意味著我們開發出的分化模型所特有的族群平衡，在很大程度上對環境變化和威脅具有免疫力。」但是，分化速度處於最佳範圍的細菌族群是否也像多細胞生物一樣，能夠抵禦突變體取代呢？

為了測試這些細菌抵抗突變體取代的能力，研究人員讓它們經歷多個世代的生長，並在長期生長過程中檢查是否出現隨機突變體，導致細菌完全不分化並失控地分裂。換句話說，突變細菌是否會導致突變體取代，亦或是在早期階段便被抑制？第一次進行實驗時，研究人員發現有一半的情況下發生了突變體取代，這讓他們感到相當失望。「我們發現，當基因變異破壞了減速分化與獲得生存優勢之間的連結時，不分化的突變體便能夠取代」，Glass博士補充道。

接著，研究人員使用一種經過基因工程改造、對已識別的突變具有免疫力的新菌株重複了實驗。「我們成功培養了大約270代分化細菌，並且沒有發生突變體取代。不幸的是，10月7日爆發的以哈戰爭迫使實驗中斷，而這些細菌可能會更加堅韌」，Glass博士說。「我們證明了分化中的大腸桿菌細胞雖然停止分裂但獲得了生存優勢，可以維持最佳的族群平衡並防止突變體取代。許多疾病，如癌症和自體免疫疾病等，是多細胞生物特有的疾病。當我們在單細胞生物中逐步引入更多多細胞生物的特性時，可以從而揭發其弱點，並在人體組織中尋找類似的問題」。

「除了基礎科學之外，這些新發現也可能對工業界的細菌使用產生影響。」Glass博士進一步指出，「目前，基因工程改造的細菌被廣泛應用於大規模生產胰島素、酵素以及其他人類所需要的物質。創造出一群能夠保持平衡、自我更新，甚至防止突變體取而代之的分化細菌，可能會對於提升生產過程有所助益。」

資料來源：

https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/bacteria-against-mutants