帶有突變基因的造血細胞可由捐贈者身上經由移植進到病患體內

骨髓移植或是造血幹細胞(hematopoietic stem cell transplant, HSCT)常用來治療血液相關的疾病，例如血癌。若骨髓捐贈者帶有致病突變，是否會對接受移植的病患產生影響？


Figure / hematopoietic stem cell transplant (Chabannon et al, Science Translational Medicine 2018; doi: 0.1126/scitranslmed.aap9630)

經過定序人類的血液檢體，發現每位五十歲以上的健康個體體內有極少數的造血幹細胞帶有和急性血癌(acute myeloid leukemia, AML)或動脈硬化相關 (atherosclerosis)的基因突變，因為數量很少，大概一萬個細胞中才有一個，所以正常的情況下普通定序無法測出來。如果這些罕見突變的功能是調控細胞繁殖等等，那在環境壓力的篩選之下（例如化療或放射性治療），這些突變的細胞可能因為帶有生存優勢而開始大量增生。如果捐贈者帶有這些突變，那是否會在受贈者體內產生影響？

由於年輕人相較之下是捐贈者的機會比較大，帶有突變的機率可能也比較低，這篇研究用 ECS (error-corrected sequencing)定序了年輕人的造血細胞，檢測他們是否帶有致病的基因突變、捐贈的頻率有多少，而受贈者在接受骨髓移植後，這些帶有突變基因的造血幹細胞的情況如何。

他們檢測了一百多個血液及骨髓的檢體，這些檢體是從 25 對骨髓捐贈者和其受贈者(急性血癌患者)身上的，但捐贈者和受贈者之間沒有血緣關係，以排除遺傳因素。捐贈者的年齡為 20 歲到 58 歲之間，定序了八十個和 AML 相關的基因，結果發現有十一位捐贈者帶有致病的突變基因，比例比原本以為的還普遍(44%)。在所有檢測出來的突變中，其中有 84.2% 可能會致病，包括有 DNMT3A, TET2 和 CREBBP，而且全部都跟著移植到受贈者體內。結果也發現，受贈者在接受移植後的一百天內，這些帶有突變的細胞在受贈者體內開始增生，有些甚至在移植一年後仍能在受贈者體內還檢測得到。

這個研究目前只有移植後一年內的資料，具體對病患是否有影響還不知道，需要更長期的追蹤。同時，這個研究對象只有 25 為病患，之後也可以做較大型的研究，才能對此有更深入的了解。



News:

Science Daily / Mutations in donors' stem cells may cause problems for cancer patients (Jan 2020)


原論文：

WH Wong et al, Engraftment of rare, pathogenic donor hematopoietic mutations in unrelated hematopoietic stem cell transplantation. Science (2020)

糞腸球菌如何聰明的躲過抗生素？

很多人可能都很擔心，要是抗生素被濫用，細菌的抗藥性愈來越強，到時候連最後防線的萬古霉素(vancomycin)都沒有用了要怎麼辦？

2004 年發生一個案例，有位病患受到糞腸球菌(Enterococcus faecalis)的感染住院治療，醫生檢驗她的血液想看看可以用什麼抗生素治療，當時她感染的細菌株已對萬古霉素有抗藥性，不過卻對 daptomycin 沒有抵抗力。病患在接受 daptomycin 治療後便可以回家了，不過兩個禮拜後，又因為高燒住院，這次醫療團隊無法可施，病患不久後過世。



註：萬古霉素主要作用在革蘭氏陽性(gram-positive)細菌上，和革蘭氏陰性菌(gram-negative)不同的地方在於細胞壁，陽性菌只有一層細胞壁(peptidoglycan layer)，用結晶紫(crystal violet)染色、再用酒精洗過後，染劑會被細胞壁留住，使得細菌呈現藍紫色。陰性菌在細胞壁外面則還有另一層細胞膜，在用酒精脫色後會讓細胞膜產生洞，染劑會從洞中流出，無法留住結晶紫，在用番紅(safranin)複染(counterstain)之後會呈現粉紅色。


Figure / Cell wall structures of gram-positive and gram-negative bacteria (YT Liu et al, J Nanosci Nanotechnol 2012; doi: 10.1166/jnn.2012.4941)

TN / Gram Positive vs Gram Negative (Aug 2019)

Enterococcus 原本並非有害菌，人類的腸胃道理或多或少有一些，不過後來因為它進化為對萬古霉素有抗藥性(ancomycin-resistant enterococcus, VRE)，被 WHO 列為對人類健康有害的 "priority pathogens"。我孤狗的時候發現它是似乎原本是益生菌，可以添加在食品裡面，後來在 WHO 發布其會危害人體健康的警告後，台灣食品衛生署便發布「糞腸球菌(Enterococcus faecalis)及屎腸球菌(Enterococcus faecium)不得作為食品原料使用」的公告。

WHO / WHO publishes list of bacteria for which new antibiotics are urgently needed (2017)

Daptomycin 是一種環脂肽類抗生素(lipopeptide antibiotic)，它剛開始可以對抗 VRE 是因為它會接合細菌的細胞膜中的磷脂(phospholipids)，使其分佈錯位，無法維持細胞膜的平衡，進而無法進行分裂繁殖，甚至導致死亡，人體免疫系統的 AMPs (antimicrobial peptides) 也是利用相同的機制抑制細菌感染。

但為什麼後來沒用了呢？在那位病患過世後，醫生把她後來的血液和她第一次住院時抽的血液比較，發現後來 daptomycin 無法殺死 VRE 是因為細菌會重組細胞膜，改變細胞膜內磷脂的內容和分佈，使抗生素無法再與之接合，因此無法抑制細胞分裂繁殖。再進一步研究，發現是因為 VRE 的細胞膜上有個叫 LiaX 的蛋白，LiaX 有兩個 domains，N-terminus 伸出細胞膜外負責探測周遭環境，C-termius 在細胞內抑制負責壓力反應(stress response)的 LiaFSR system，包括調磷脂代謝和細胞膜，如果 LiaFSR 被啟動，細菌就會進行細胞膜重組。因此如果 LiaX 和 daptomycin 或是 AMPs 接合，LiaX 便會會傳送訊息啟動 LiaFSR，使細菌開始重組細胞膜。

了解這個機制後，或許研究者們可以找出阻斷 LiaX 和抗生素接合的方法，解決細菌抗藥性的問題。



Article:

WIRED / Scientists Find a Weak Spot in Some Superbugs' Defenses (Dec 2019)


Publication:

A Khan et al, Antimicrobial sensing coupled with cell membrane remodeling mediates antibiotic resistance and virulence in Enterococcus faecalis. PNAS (2019)

好的細菌可以抑制黑色素瘤

除了腸胃道有細菌外，我們的皮膚上也有各種細菌，稱為 skin microbiota，跟腸道菌一樣，好的細菌可以保護我們的皮膚，這些皮膚菌落的 Staphylococcus epidermidis 就是其一。

S. epidermidis (表皮葡萄球菌)是屬於凝固酶陰性的細菌(coagulase-negative, CoNS)，它和另一個 CoNS, Staphylococcus hominis 都是人類皮膚上的主要菌落。S. epidermidis 和皮膚角質細胞(keratinocytes)有著密切的關係，它們會分泌出短鍊脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)和一些其他的代謝物，而這些代謝物除了會影響角質細胞的基因表現外，也會影響免疫反應。除此之外，它分泌的 phenol-soluble modulins (PSMγ, PSMδ) 會和宿主的 AMPs (antimicrobial peptides) 合作，殺死有害的細菌，例如 S. aureus 和 group A Streptococcus (GAS)。


Figure / S. epidermidis in skin physiology (Stacy et al, Science 2019)

2018 年有篇研究發現 S. epidermidis 分泌的一個物質 6-HAP (6-N-hydroxyaminopurine) 會抑制 DNA polymerase，聽起來不太好是吧？但是在細胞實驗中，作者麼發現 6-HAP 會選擇性的抑制癌細胞增殖，但不會抑制角質細胞。為什麼呢？因為正常角質細胞會表現 mitochondrial amidoxime reducing components (mARC1, mARC20)，mARC 可以使細胞免於 6-HAP 造成的傷害，而癌細胞的 mARC 表現量不高。

在老鼠實驗中，6-HAP 抑制了老鼠黑色素瘤(B16F10 melanoma)的增長。帶有正常 S. epidermidis 這株細菌的老鼠，因照射 UV 而引起的腫瘤比帶有不會產生 6-HAP 細菌的老鼠少。而在人口的基因分析中也發現，很多健康個體的皮膚都帶有會生產 6-HAP 的細菌。



Article:

A Stacy & Y Belkaid, Microbial guardians of skin health. Science (2019)


Publication:

T Nakatsuji et al, A commensal strain of Staphylococcus epidermidis protects against skin neoplasia. Science Advances (2018)

衰老細胞是什麼？消滅它可以延長壽命嗎？

細胞衰老(cellular senescence)有幾個過程，先是細胞不再進入正常的循環(cell cycle)和分裂，然後釋放出一些物質吸引免疫細胞前來清除，稱為 SASP (senescence-associated secretory phenotype)，進而使細胞組織可以重組(tissue remodelling)，而怎樣會使細胞進入衰老狀態呢？最常見的是 DNA 受損反應(DNA damage response)，引起的原因包括有 oxidative stress 等等。不過，並不是所有的衰老細胞都能被清除，當免疫系統不夠力的時候，沒被清除掉的衰老細胞會慢慢堆積，之後可能會引起癌症或其他疾病，目前也被認為是老化(aging)的原因之一。


Figure / 細胞衰老 (Muñoz-Espín & Serrano, Nature Reviews 2014; doi: 10.1038/nrm3823)

在之前的老鼠實驗中，科學家把一些衰老細胞植入四個月大的年輕老鼠體內看看衰老細胞是否會影響生理功能，結果值日兩週後，老鼠的體能開始出現衰退的狀況，例如走路變慢，而且無法走太久。不過當他們把殺死衰老細胞的藥物(senolytics)給老鼠服用三天之後，老鼠的衰老症狀便減緩了。他們用的 senolytics 分別為治療血癌(leukemia)的 dasatinib 和槲皮素(quercetin)，槲皮素是蔬果內的一種黃烷醇(flavanol)，兩者並用合稱為 D+Q。除此之外，他們也試驗在 20 個月大的老年老鼠身上，結果這些老鼠在服用了抗衰老藥物後，老化的現象減輕了，走路比較快、比較久外，每日的活動力也增加了。最後，他們試驗在一年到 27 個月大、非常老的老鼠身上，每兩個禮拜一次的 D+Q 治療後，老鼠的存活率比沒治療的老鼠增加惹 36%。

之後，研究團隊把 D+Q 治療試驗在人類上，這個臨床研究裡的十四位病患都有輕中度的特發性肺部纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)，肺部堆積了衰老細胞，研究主持人 Dr. Kirkland 給他們用來殺死衰老細胞的藥物(senolytics)，療程為三週共九劑，看是否能夠改善因為衰老細胞造成的行動不便等等，試驗結果顯示治療效果比他們預期的好，病患的行動能力改善，肺部功能也沒有惡化。



Articles:

Science Alert / Experimental Anti-Aging Treatment That Kills Old Cells Has Passed First Human Trial (Feb 2019)

MIT Technology Review / A cell-killing strategy to slow aging passed its first test this year (Feb 2019)

NIH / Senolytic drugs reverse damage caused by senescent cells in mice (July 2018)


Publications:

JN Justice et al, Senolytics in idiopathic pulmonary fibrosis: Results from a first-in-human, open-label, pilot study. EBioMedicine (2019)

M Xu et al, Senolytics improve physical function and increase lifespan in old age. Nature Medicine (2018)

JM van Deursen, The role of senescent cells in ageing. Nature (2014)

D Muñoz-Espín & M Serrano, Cellular senescence: from physiology to pathology. Nature Reviews Molecular Cell Biology (2014)

A Hernandez-Segura et al, Hallmarks of Cellular Senescence. Trends in Cell Biology (2018)