发现霍乱弧菌

1883年，在古老的埃及曾发生过一次大规模的流行性疾病。感染者严重腹泻，迅速脱水，并导致酸中毒直至死亡。由于这种传染病传播迅速、发病急、死亡率高，当时在中东及欧洲地区引起了极大的恐慌。为了迅速查明引起这种烈性传染病的病原体，一些科学家纷纷奔赴埃及，这其中就有在一年前曾发现了结核病病原体结核杆菌的德国著名细菌学家罗伯特·柯赫（Robert Koch）。

经过艰苦的研究，柯赫研究小组终于在1884年查明了这种烈性传染病的病原体是一种一端生长着单根鞭毛的弧状细菌——霍乱弧菌。霍乱弧菌的发现为人类预防和战胜霍乱奠定了科学的基础。柯赫也由于在病原菌研究方面的诸多贡献，荣获了1905年的诺贝尔生理或医学奖。

时光荏苒，100多年过去了。随着分子生物学和基因组学的发展，尤其是近年霍乱弧菌全基因组测序的完成，人们竟发现这种古老的毒魔原本并不那么邪恶与恐怖，而是一类“生之初，性本善”的细菌。这一发现无疑于一枚重磅炸弹，发聋振聩，极大地憾动了人们根深蒂固的霍乱弧菌“毒魔说”思想。那么，科学家们究竟发现了什么？并使得人们100年来对霍乱弧菌的憎恶在一夜之间发生了根本的转变？

也是受害者

正如致病病毒可以侵入人体使受感染者成为传播这种病毒的传染源一样，病毒也可以侵入细菌的体内并通过细菌为媒介进行传播。不过，细菌的病毒有一个专有的名称——噬菌体。

噬菌体也是由蛋白质构成的外壳及其包裹着的核酸所组成。在侵袭细菌时，噬菌体尾部上突起的丝状物首先与细菌外壁上的特异受体物质相结合，使噬菌体附着在细菌的外壁上。然后，噬菌体分泌一些可以溶解细菌细胞壁的物质，将细菌细胞壁溶解出一个孔洞，其核酸就可以通过孔洞进入细菌的体内，而噬菌体的外壳蛋白却仍然留在细菌的外壁上。

噬菌体的核酸可以是DNA，也可以是RNA，担负着编码与噬菌体核酸的复制、装配有关的酶类及外壳蛋白的功能。噬菌体核酸侵入细菌体内可发生两种不同的情形：一种是噬菌体核酸侵入细菌后，细菌自身的DNA复制与蛋白质合成停止，而进行噬菌体DNA的复制及外壳蛋白的合成。这些新合成的噬菌体DNA与外壳蛋白在细菌体内又重新组装成完整的新一代噬菌体。最后，细菌体裂解，释放出几十至几百个新一代的噬菌体，以这种方式侵入细菌体内的噬菌体被称作烈性噬菌体。另一种是噬菌体核酸侵入细菌后，并不影响细菌体内正常的生理代谢活动，而是将噬菌体自身的核酸物质插入到细菌的基因组中，成为细菌基因组的一部分，并随细菌基因组的复制而复制，这类噬菌体被称为温和性噬菌体。

早在20世纪60年代，人们就已经知道霍乱弧菌之所以具有毒性是由于它能产生一种可引起严重腹泻的物质——霍乱毒素，而霍乱毒素又是由基因ctxAB编码的。

1996年，沃德（Waldor）在研究中惊奇地发现，ctxAB基因并不是霍乱弧菌基因组自身的成分，而是噬菌体CTXΦ基因组的一部分。已知CTXΦ是一个具有单链DNA的温和性噬菌体，这一发现的唯一解释就是：CTXΦDNA在感染并侵入霍乱弧菌体内后，插入到了霍乱弧菌的基因组中，成为了霍乱弧菌基因组的一部分。这一发现立即发表在《科学》杂志上，引起了全世界的震动。

自然环境中的霍乱弧菌并非都为CTXΦ噬菌体所感染，只有那些感染了CTXΦ并插入了CTXΦ的ctxAB基因的霍乱弧菌株才有可能引发霍乱病的发生。1998年，更新的研究显示，即使是感染了CTXΦ噬菌体并在其基因组中插入了ctxAB基因的霍乱弧菌，但真正能够主动分泌新一代CTXΦ噬菌体的却为数不多，而大多数只有在外界因素的诱导下才能大量分泌CTXΦ。CTXΦ是温和性噬菌体，所以不能通过霍乱弧菌裂解死亡的方式释放出来，而只能通过霍乱弧菌从基因组中解离下插入的CTXΦ基因指导合成新一代噬菌体后，再主动分泌到霍乱弧菌体外，在这一过程中，霍乱弧菌并不裂解死亡。

有致病能力的霍乱弧菌必需具备两个条件，一是其基因组中插入了ctxAB基因，二是能够分泌新一代CTXΦ噬菌体。由致病性霍乱弧菌分泌出的CTXΦ噬菌体又可以感染环境中非致病性的霍乱弧菌菌株，将ctxAB基因插入其基因组中，使非致病菌株获得致病性。由此看来，霍乱弧菌原本并不是所谓的毒魔，只有那些感染了病毒（噬菌体）并被病毒的致病基因插入了基因组的菌株才有致病能力，而即使是这些有致病能力的霍乱弧菌，也是病毒（噬菌体）的受害者。

包括霍乱弧菌、大肠杆菌等在内的一些致病菌的基因组中都有许多与其致病性有关的基因簇伴生在一起，并被称为致病岛；而在相应的非致病菌株中，却没有这类致病岛的存在。在霍乱弧菌致病菌株的致病岛基因簇中，有一个基因编码称之为TCP的霍乱弧菌菌毛。霍乱弧菌可以依赖这种菌毛定居在人体肠道壁的粘膜上，同时，TCP菌毛又是CTXΦ噬菌体侵入霍乱弧菌时的受体，即只有CTXΦ与TCP菌毛结合后，CTXΦ核酸才能侵入霍乱弧菌。

更令人惊奇的是，1999年，卡拉利斯（Karaolis）等人发现，编码霍乱弧菌致病岛的基因簇却又是另一个温和性噬菌体VPIΥ的基因组，这个基因组也插入在霍乱弧菌的基因组中，其中一个基因就是编码TCP菌毛的基因。

可以推想，早期的霍乱弧菌都是一类性情温和的弧状细菌，由于感染了VPIΥ噬菌体并将其基因插入原始霍乱弧菌基因组后，才能在人体的肠道壁粘膜上定居生存，而VPIΥ基因组中的一个基因所编码的TCP菌毛又成为了噬菌体CTXΦ侵入霍乱弧菌的受体。霍乱弧菌在感染了这两种噬菌体后才能大量繁殖，比非致病菌株具有更强的生存优势，并导致霍乱的发生与传播。一种噬菌体为另一种噬菌体提供侵入宿主的受体，这是生物界互利行为的一个共生现象。

致乱之道

既然霍乱是霍乱弧菌的基因组中插入了CTXΦ噬菌体的ctxAB基因所产生的霍乱毒素所致，那么，霍乱毒素是怎样引起严重腹泻的呢？霍乱毒素是一个由745个氨基酸组成的蛋白质，它包括5个B亚基和一个A亚基，5个B亚基之间通过非共价键聚合成一个圆桶状的五聚体，可以与肠道上皮细胞膜上的一种称之为神经节苷脂的受体分子相结合，引导整个霍乱毒素分子进入肠道细胞内。A亚基则为球状，在五聚体的中心位置与B亚基相连接。

霍乱毒素的B亚基与肠道上皮细胞膜上的受体结合后，可导致细胞膜结构的改变，部分细胞膜包裹着的霍乱毒素形成的囊泡被吞进入细胞——囊泡首先被输运到细胞中的高尔基体中，这时A亚基与B亚基分离。分离后的A亚基与一种被称之为ADP—核糖基化因子的G蛋白结合而具有催化能力，并首先催化DNA使其分解为烟酰胺和ADP—核糖，再将ADP—核糖转给G蛋白，阻止GTP酶活性，同时刺激腺苷酸环化酶不断产生cAMP，进而打开肠道上皮细胞膜上的氯离子通道。氯离子通道是贯穿于细胞膜上的一种蛋白质，通过其构象的变化可以像开关一样控制氯离子进出细胞内外。氯离子通道的开放结果是导致细胞内氯离子的不断流失，而此时由于渗透压的作用，水份也将大量地流进肠腔内，从而导致腹泻。

化害为利

早在1972年，科学家们就已经发现霍乱毒素可以提高机体的免疫反应。其后更深入的研究发现在霍乱毒素中只有A亚基才真正具有毒性，而B亚基则只具有与细胞膜上的受体结合的功能。

正是由于霍乱毒素B亚基无毒和能与细胞膜受体神经节苷脂结合的性质，因此，可将其作为进入细胞内的载体与具有免疫作用的抗原物质进行结合构成融合免疫制剂，使机体产生更好的免疫效应。同样，霍乱毒素B亚基也可以作为多种疫苗的免疫佐剂来提高疫苗的免疫原性。

霍乱毒素B亚基还具有耐酸和耐蛋白酶降解的性质，以其作为载体的口服疫苗在胃及小肠中不易被分解，而使机体更易产生良好的免疫应答。目前，利用霍乱毒素B亚基制备的口服霍乱疫苗和痢疾疫苗已研制成功并获准上市。

近年来，科学家们又将编码霍乱毒素B亚基的DNA与轮状病毒和大肠埃希杆菌的菌毛抗原基因融合在一起，克隆到马铃薯的基因组中，转基因马铃薯即可合成这种三位一体的融合物质。这一研究为利用霍乱毒素B亚基制备廉价的口服转基因植物工程疫苗展示了美好的前景。