以毒攻毒！教你用霍亂對付霍亂

由霍亂弧菌（Vibrio cholerae）引發的霍亂，是常見的人類傳染病。有意思的是，霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌，本身也會被病毒等異形入侵，有免疫的需求。

在最近發表的論文中，霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法，不但能抵抗病毒，還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運？質體又是什麼呢？^{[參考資料 1, 2]}

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥：細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣，都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外，細菌也常常配備額外的「質體（plasmid）」，它們是 DNA 圍成的圈圈，獨立於細菌的染色體之外，具有自己的遺傳訊息，會自己複製。

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲，那麼對細菌來說，質體就是個占空間的東西，只會耗費宿主的資源，對細菌是最差的狀況。但是，質體上也有基因，如果那些基因具備抗藥性等作用，那質體便對細菌有利。換句話說，質體和細菌的關係並不一定，有可能是有利、有害，或是沒有利也沒有害，視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力，例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR，原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是，許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組，本身就位於質體上頭，令人懷疑其動機不單純。

比方說，A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR，那麼 A 質體的目的，到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵，或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢？不好說，不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR，還有一招是利用「Argonaute」蛋白質，啟動針對質體的排外機制；有時候兩者兼備，就是不給質體活路。^{[參考資料 3]}

了解上述資訊，便能體會霍亂新研究的奧妙：質體無法生存的霍亂弧菌，既沒有 CRISPR，亦沒有 Argonaute，卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中，霍亂就是一款危害人類的傳染病，不過野生的霍亂弧菌有很多品系，除了 O1 和 O139 兩個亞型之外，大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行，目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor，也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系，細菌中一般都帶著質體，可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內，一開始倒是沒什麼阻礙，可是複製繁殖十代以後的細菌，卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設，霍亂第七次大流行的主角，可能比同類們多出些什麼，讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute，應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後，從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域，稱它們為 DdmABC 和 DdmDE（Ddm 為 DNA-defence module 縮寫），兩者各自都有排擠新質體的能力，一起合作效果更好。

兩套手法獨立運作，就是不要讓質體留下！

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體，但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊，令質體無法繼續在細菌體內生存，尤其容易攻擊比較小的質體；這個攻擊過程中，應該有其他蛋白質參與，不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE，其基因周圍還有兩套免疫系統的基因：R/M 與 Zorya，它們的任務都是消滅入侵的噬菌體（感染細菌的病毒）。因此霍亂的染色體上，這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地，稱為防禦島（defence island）。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法，霍亂如果攜帶質體，不論質體自身大小，DdmABC 都會產生毒性；這使得質體數目較少的細菌，繁殖時產生競爭優勢，多代以後脫穎而出的霍亂，將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是，霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體，也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統，同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢？在資料庫中比對 DNA 序列，ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因，所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因，所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意；幾個新基因組合形成新功能，或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出，成為第七次大流行的主角。總之，它們都通過長期天擇競爭的考驗，贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利，若是通通不要，等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂，為什麼演化成這般樣貌，值得持續探索。

戒備森嚴，多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到，細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物，也配備多重免疫系統，抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說，它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制，以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法，能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌，又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統，精準識別目標並且攻擊，類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質，使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫，無差別切割入侵者的 R/M 系統，其各種限制酶（restriction enzyme），早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具，可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統，除了增加學術知識，也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥，不只能認識更多免疫與演化，也可能找到對付細菌的新招，還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

• 現代流行病學之父──約翰・斯諾誕辰│科學史上的今天：3/15
• 鼠疫桿菌至少 3800 年前，成為跳蚤騎士
• 推理要在實驗室：為什麼有些細菌會致病、有些不會呢？
• 當科技發展跑在世界前面，科學家該做什麼？基因編輯技術 CRISPR 共同發明人——珍妮佛．道納專訪
• 【2020 諾貝爾化學獎】基因剪刀 CRISPR：它如何改寫人類的生命密碼？

參考資料

1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

霍亂聽起來像是個有歷史的，早已離我們遠去的古老疾病。但是事實上直到今年，霍亂弧菌 (Vibrio cholerae)還是可以每年奪走 10 到 12 萬人的性命，繼續讓三百萬到五百萬人受到感染。這個星球上曾經出現過七次霍亂大流行，而這些有案底的霍亂弧菌卻只來自這個菌種裡的一個小分支，前六次的病原都屬於 O1 (是歐萬而不是零壹) 血清型，第七次則是源自 O1 的 O139 血清型。我們的自然環境裡其實住著不少無害的霍亂弧菌，不過因為它們都沒有繼承到能傷人的神力(毒力因子)，而還只是自在地待在湖水土壤裡過著平凡的日子。

2010 年 10 月，海地爆發有史以來第一次霍亂大流行，在接下來兩年間造成超過 60 萬人感染。根據統計到 2013 年 8 月統計的數據，這次的霍亂已經奪走 8231 人的生命。這場大流行估計讓海地全國超過 6% 的人口受到感染，還向外波及鄰國多明尼加和古巴。當這種大流行發生後，當務之急當然是先搶救受到感染的人，但同樣重要的是要趕快找出病原菌的來源並且阻止它繼續散佈。美國的疾病管制中心在 2010 年 11月的一份報告裡指出這次的病原屬於 O1/Ogawa 血清型的 El Tor 生物型，是個能造成全球大流行的極度危險的傢伙。可是海地過去從來沒發生過霍亂，這病原菌是打哪來的?

亞洲這些年來霍亂不斷，像是孟加拉年年都在和霍亂搏鬥，尼泊爾也有疫情。這個闖入海地的死神，難道帶有亞洲的血統? 這種事，當然不能亂說，在要指控別人之前得要有充份的證據才行。專家們早就懷疑這次的霍亂是來自亞洲。為什麼呢？首先是現場來的線索。根據這份 2011 年的報導，海地首先出現霍亂的村莊正好在聯合國尼泊爾部隊營地的下游不遠處，而且在剛開始發病的那幾天，居民還看到部隊化糞池排出帶惡臭的污水。這些觀察讓尼泊爾部隊成為可疑的霍亂來源。不過可疑歸可疑，要怎麼證明在海地看到的細菌是不是亞洲細菌的後代？

藉由現在 DNA 科技的進步，科學家的確可以提出證據來回答這個問題。子孫經由遺傳得到親代的 DNA，而且會是完美(至少接近完美)的複製品。細菌是用二分法複製的，DNA 更應該是一模一樣. 如此一來，只要找個方法來檢查海地霍亂弧菌的序列跟全球哪個地方的細菌序列最像，答案就有個譜了。這就好像醫院會做的親子鑑定，把所有爸爸候選人的 DNA 排出來，誰跟小孩的 DNA 最像，就得準備面對接下來的狗仔和官司。不過親子鑑定和細菌鑑定用的 DNA 技術不太一樣，但都是以 DNA 序列像或不像來認祖歸宗就是了。

2011 年 8 月，一篇由丹麥、美國及尼泊爾的研究人員在發表在 mBio 期刊上的研究報告提供了有力的證據。他們使用 2010 年在尼泊爾採集的 24 株霍亂弧菌菌株，加上 3 株來自海地的菌株及 7 株來自其它地區的菌株，利用兩種 DNA 分析方法進行比較。他們用的第一種方法是脈衝場凝膠電泳(pulsed field gel electrophoresis)片段組成分析。這個方法是先用限制酶在 DNA 上找特定序列把它切斷，再用切出來的 DNA 長短組成來判定細菌是否相似. 這個技術大概就像讓一群人每人拿一張報紙，要他們在把報紙上只要看到 「拼經濟」這個詞就剪掉，然後比較每個人報紙上洞的分佈狀況. 如果有兩個人報紙的洞出現的位置一模一樣，那他們一定是拿到的就是同一天同一版的一模一樣的報紙。好了，說明完方法，那研究結果到底如何呢？他們發現尼泊爾收集到的菌株根據 DNA 片段組成可以被分成四群，其中一群和海地菌株是一樣的，另一群則是和海地菌株非常相近。

接著他們使用第二種方法，這是更複雜的全基因體序列比對(whole genome sequence typing)。這個方法是將這些細菌的 DNA 序列全部解碼讀出來，然後把不同菌株的序列拿來做比較。其它只看少數基因的方法可能出現瞎子摸象的問題，這個方法因為一次就比對了所有的序列，等於是把 DNA 上能看到的變異全部都拿出來研究了，所以是個解析度更高的方法。以這個方法得到的演化樹上，也可以清楚看到海地菌株和尼泊爾四群細菌中的一群是分不開的。

想要以序列分析來解開病菌來源的研究不只這一個。另一個主要來自美國的研究團隊也在 New England Journal of Medicine 期刊上發表了研究結果。他們拿 1588 段基因(約 40% 的基因)的序列來進行霍亂弧菌的菌株比對，得到的結果也顯示海地菌株與尼泊爾菌株非常相近。一篇 2011 年 9月發表在 Nature 期刊的研究做了全球各地霍亂弧菌全基因體序列比對，同樣發現跟海地菌株最像的親戚來自尼泊爾。有這些重量級研究來佐證，造成海地大流行的菌株，看來真的是在尼泊爾流竄的霍亂弧菌流亡海外後的成功子孫。 聯合國難辭其咎。

這些研究證據讓海地政府可以和聯合國對抗了。2013 年 10 月，海地政府正式控告聯合國並且求償(請看這份BBC的報導)。聯合國的和平部隊原本是來海地協助 2010 年大地震後的重建工作，但是卻讓病原菌進入海地民眾的飲用水源，造成後續的大流行。這是聯合國始料未及的後果，原本是要來幫助這個處於困境的國家，沒想到卻造成八千個家庭的天倫夢碎。

現在又有一篇最新研究出爐了。在這篇作者群人數可以組棒球隊的研究報告裡，研究人員在海地這次疫情持續的 20 個月裡收集到 24 株菌株的基因體序列，和資料庫裡 108 個菌株的基因體序列做比較。他們得出的結論除了用更多證據支持海地菌株來自尼泊爾之外，也發現海地和尼泊爾這群菌株是霍亂弧菌裡的異類。他們發現海地菌株從環境撿一段 DNA 進來用的能力遠比一般霍亂弧菌還要差很多，外來 DNA 很難成功進入這群細菌的細胞裡。為什麼要看這項特徵呢？ 當兩株細菌的基因序列相似時有兩種可能，一種是它們真的是近親所以相似，另一種可能則是 A 菌屍體裡的 DNA 被 B 菌撿來當做自己的來用。而這個實驗結果證明了海地霍亂弧菌菌株比一般霍亂弧菌更難經由水平基因傳遞(horizontal gene transfer)來得到基因，讓我們更相信海地和尼泊爾菌株間的相似是來自血緣上的相近。

到海地進行研究的法國流行病學專家 Renaud Piarroux 在他發表在 Emerging Infectious diseases 期刊上的研究報告裡指出, 從疫情判定當時從尼泊爾部隊的營區裡應該流出大量病菌，推測當時有數十人感染，可能是被高層壓下來處理，刻意隱匿疫情。不過從這次的事件可以知道就算是趁沒人看見時偷偷做的壞事，在現代的科學技術的幫忙下，真相還是可以被找出來的。做人還是誠實一點比較好。

根據報導，台中市一名男子感染了霍亂，由於他最近並沒有出國，所以這是今年第一例的本土性霍亂病例。

霍亂，日本叫做コレラ，應該是英文cholera的音譯，在十九世紀出現在歐洲。當時歐洲其實由於都市人口急遽上昇，但是相應的周邊設備如污水下水道、沖水馬桶等都如付缺如，開始有有識之士注意到，在這樣惡劣的衛生環境下，造成傳染病盛行，而當時埃得溫‧查德威克(Sir Edwin Chadwick)做的調查「對英國勞動人口衛生狀況的調查報告」以及他所繪製的「衛生地圖」顯示了階級越低的人，由於多半居住在骯髒、擁擠、排水不暢及供水有問題的區域，造成平均壽命短於仕紳跟商人。

Sir Edwin Chadwick （圖片來源：維基百科

雖 然這些報告喚醒了英國政府，但由於查德威克是個很讓人討厭、專制的人，最初他的政策推動的並不順利，甚至還一度被免職。但由於霍亂已經在1832年在不列顛島上爆發過一次流行，這種極度痛苦的疾病（病人會忍不住嘔吐、腹瀉直到腸胃皆空、全身脫水為止，而脫水時會造成四肢嚴重痙攣，嘔吐即使病人腸胃已經排空仍不會停止，而以乾嘔取代）在1845年似乎有捲土重來的跡象，於是查德威克再度被任命，並授與他之前政府一度不願授與的權力。

雖然後來因為查德威克的人緣實在太差，以及當時人對傳染病的不正確觀念，造成他二度被免職，但是後來約翰‧斯諾(John Snow) 的研究支持了查德威克的觀點，並從而推動了衛生改革，使得城市變得更清潔、更適合人住，即使後來霍亂曾捲土重來，直到近代也尚未絕跡，但霍亂這個疾病使當 時的人從認定疾病僅由不潔的空氣傳染，瞭解到不潔的飲水與食物也會造成傳染病的流行，並從而注意環境衛生，或許這也可以算是霍亂的功德一件吧！

本文原發表於Miscellaneous999