很多微生物以我們身體各處為家,不過只有胃幽門螺旋桿菌(Helicobacter pylori)住在胃的強酸環境中,它們另一特殊之處在於,這種細菌全族都把身家押在人類身上,除此之外沒有第二種宿主。

嗯,不知該感到榮幸還是怎樣?

與人類共進退的親密夥伴

非洲是人類的發源地,形態上最早的現代人(anatomically modern human)大概在20萬年前出現,隨後有幾波小規模的向外移民,但要一直等到6萬年內才大為成功,這些移民潮的後裔最後四散各地,形成如今世界上各處的人類族群。由胃幽門螺旋桿菌與人類從一而終的緊密關係推斷,這種細菌的演化史,也反映了人類遷徙的歷史。

目前全世界人口中,至少一半胃裡住著胃幽門螺旋桿菌,這個狀況從幾萬年前就開始了。比較DNA序列,能估計全球各地菌株共同祖先的年代,大約介於8.8到11.6萬年前,這個時間比人類祖先離開非洲更早,可見早在尚未離開非洲以前,人類共祖在非洲就已經感染這種細菌[1]。

以胃為家的胃幽門螺旋桿菌
以胃為家的胃幽門螺旋桿菌 (Illustration by Zina Deretsky, National Science Foundation)

人類發源於非洲,但非洲很大,各區域與外界來往的程度不一,又以西非與南非某些族群跟外界交流最少,最常出現在論文上的族群之一是桑族(San),因為遺傳學研究發現,桑族人親緣上與其他人類族群分開最久。如今全世界的胃幽門螺旋桿菌可分為7大群,與桑族人共生的是非洲一型(hpAfrica1)與非洲二型(hpAfrica2),其中非洲二型是眾多胃幽門螺旋桿菌中,遺傳上分歧最大的。

事實上,非洲二型的歧異度超乎想像。

從何而來?

要追溯一種生物的起源與發展過程,不能只考慮這種生物本身,還要一起比較相近的物種,才能更全面的判斷演化史,但胃幽門螺旋桿菌所屬的「螺旋桿菌屬(Helicobacter)」狀況非常離奇。

胃幽門螺旋桿菌與人類有著不離不棄的關係,演化上胃幽門螺旋桿菌最近的親戚是Helicobacter acinonychis,人類最近的親戚是黑猩猩,那麼H. acinonychis的感染對象是黑猩猩嗎?不,它們的宿主是貓科動物。與胃幽門螺旋桿菌和H. acinonychis最接近的親戚則是Helicobacter cetorum,而這種細菌的宿主是……鯨豚!

 

螺旋桿菌親戚圖 (1)

 

大概連國中生都知道,人、貓科動物、鯨豚的親戚關係差異很遠,然而它們的螺旋桿菌卻是最接近的。許多傳染病由動物傳播給人類,既然感染貓科動物的H. acinonychis,與以人為家的胃幽門螺旋桿菌關係最近,當初應該是可憐的人類,從貓科動物身上獲得這種不速之客?

胃幽門螺旋桿菌以及H. acinonychis,的確被分類為2個不同的物種,但假如把所有胃幽門螺旋桿菌的族群與H. acinonychis擺在一起比較,結果將非常令人驚訝,因為非洲一型與非洲二型間的差異,還超過H. acinonychis與非洲二型!也就是說似乎真相是,非洲二型與其餘胃幽門螺旋桿菌的族群分家以後,H. acinonychis才再從非洲二型中獨立出來。

所以貓科動物是無辜的,是人類傳染給牠們,牠們才是受害者。那麼更早以前是誰傳染給人類的?科學家調查非洲野生的黑猩猩與一些靈長目動物後,也找不到牠們感染的跡象,只能猜測胃幽門螺旋桿菌的祖先,是當年從某種未知動物轉移到我們的祖宗身上。

世界各地的胃幽門螺旋桿菌

除了非洲一型和非洲二型之外,另外5群胃幽門螺旋桿菌分別是:東北非型(hpNEAfrica)、亞洲二型(hpAsia2)、東亞型(hpEastAsia)、莎湖型(hpSahul),以及歐洲型(hpEurope)。提醒讀者您沒看錯,有亞洲二型,但沒有亞洲一型。

主要分佈於西非與南非的非洲一型、以南非為主的非洲二型,和東北非型間關係較近、可視為一大群;亞洲二型、東亞型和莎湖型(莎湖指的是冰河時期時,澳洲與新幾內亞連結而成的陸棚)又可歸為另一大群;而歐洲型比較特殊,是以上兩大群的混合。這個分佈模式大致上吻合人類的遷徙歷史。

各胃幽門螺旋桿菌菌株的親戚關係
各胃幽門螺旋桿菌菌株的親戚關係(Illustration by Public Library of Science)

歐洲型是兩種不同型號的合體,更確切的說,是源於Ancetral Europe 1(AE1)與Ancetral Europe 2(AE2)。AE1後來演化為亞洲二型,目前地盤是南亞,AE2則演化為東北非型。AE1和AE2是在何時形成歐洲型?

根據各型菌株的分化年代,亞洲二型是約6萬年前離開非洲的一支後代,東北非型卻要到3.6到5.2萬年前才與非洲一型分家。據此推論的假說是:人類大舉離開非洲至少兩次,一次是約6萬年前的移民,衍生出亞洲二型、東亞型、與莎湖型;第二次則在5萬年內,產生了東北非型。AE1和AE2可能在中東相遇、融合,最遲在一萬年前傳入歐洲,形成現在的歐洲型。

最近的新發現,卻推翻了以上論點[2][3]。

歐洲的冰人、亞洲的菌株、複雜的歷史

「冰人奧茨」在5300年前,海拔3000公尺高的阿爾卑斯山上去世,得天獨厚的環境使他死後天然木乃伊化,是幾千年前保存最完好的古代人,也是DNA最早被定序成功的古人之一,最近科學家更進一步,從他的胃中獲得胃幽門螺旋桿菌的整套基因體。假如前述假說為真,冰人的菌株應該會是歐洲型,然而冰人胃裡住的是跟現在的亞洲二型十分相似的AE1。

冰人尊容(RECONSTRUCTION BY KENNIS © SOUTH TYROL MUSEUM OF ARCHAEOLOGY, FOTO OCHSENREITER)
冰人尊容(RECONSTRUCTION BY KENNIS © SOUTH TYROL MUSEUM OF ARCHAEOLOGY, FOTO OCHSENREITER)

當時歐洲也許歐洲型與AE1共存,冰人屬於AE1。不過也很可能假說是錯的,AE2進入歐洲的年代其實更晚許多,AE1一直到五千年前都還主宰歐洲,AE2是後來才來的。真是如此,AE2傳入歐洲就不像是由大規模的出非洲遷徙造成,而只是由少數人輾轉攜帶進去,但顯然AE2與AE1見面並融合後,適應的相當好,在幾千年內就席捲全歐,成為歐洲主流[4]。

歐洲很大,或許冰人是特例,可惜像冰人的胃保存這般良好的古樣本,再也沒有第二個。當今能確認的就是五千多年前,並不是每位歐洲人的菌株,都跟現在的歐洲居民一樣。胃幽門螺旋桿菌的經歷,的確反映了人類遷徙的過往,而這些歷史,卻比預期的更加複雜。

撰文:寒波

 

參考資料:

  1. Moodley, Y., Linz, B., Bond, R. P., Nieuwoudt, M., Soodyall, H., Schlebusch, C. M., … & Van der Merwe, S. W. (2012). Age of the association between Helicobacter pylori and man. PLoS pathog, 8(5), e1002693.
  2. Pathogens found in Otzi’s stomach
  3. Maixner, F., Krause-Kyora, B., Turaev, D., Herbig, A., Hoopmann, M. R., Hallows, J. L., … & O’Sullivan, N. (2016). The 5300-year-old Helicobacter pylori genome of the Iceman. Science, 351(6269), 162-165.
  4. The Iceman had a tummy bug