3 Genomové Nestability v Důsledku Stabilní Mutator Genotypy
Konstitutivní mutator bakterie mají zvýšenou spontánní mutace způsobené vadami geny kódují DNA opravy faktory, nebo další komponenty z jiných genomu monitorovací a ochranné cest, které vede k destabilizaci genomu. Z typických cest pro opravu DNA (Viz kapitola 4) je většina silných mutátorových fenotypů způsobena mutacemi v MMR dráze. Cesta MMR je nesmírně důležitá pro udržení stability genomu v e., coli, protože inaktivace dráhy mutacemi v některém z centrálních genů může zvýšit míru mutace mezi 100-a 200-krát . Tento velký nárůst spontánní mutací v MMR-vadný kmenů, odráží rozmanitost v typech poškození uznána a opravena touto cestou, včetně nesprávně spárovaných bází (zejména vzhledem k misincorporation a korektury selhání během replikace DNA) a malé inzerce a delece. V experimentu s akumulací mutací v roce 2012, MMR-deficientní e., coli kmen měl 138-násobné zvýšení v počtu base-pair substituce ve srovnání s izogenní divokého typu kmene. Kmen vadný MMR měl také 288násobný nárůst tvorby inzercí a delecí, obvykle ≤4 nukleotidy.
zajímavou a někdy nedoceněnou funkcí MMR dráhy je potlačení nesprávné rekombinace . E., coli homologní rekombinace (HR)-zprostředkované RecA a RecBCD komplexu vyžaduje dokonalé nebo téměř dokonalé homologie v rekombinace DNA sekvencí; nicméně, úroveň homologie potřebné pro produktivní rekombinace je uvolněná v MMR-vadný kmenů. Například, transdukce mezi Salmonella enterica sérovar Typhimurium a E. coli je omezena tím, že příjemce MMR systému, který detekuje a narušuje tvorbu heteroduplexů uznáním posloupnosti divergence ., Jak ukazuje tento příklad, regulace rekombinace MMR může působit jako bariéra pro HGT mezi úzce souvisejícími druhy, což slouží další roli při zachování integrity genomu.
mutační fenotypy nejsou způsobeny výhradně defekty v MMR dráze. Klíčovým pomocným faktorem pro MMR je přehrada dna adenin methylázy . Tento protein je nutný pro methylaci DNA, která usnadňuje rozlišování pramenů během MMR a má další důležité role v replikaci DNA a regulaci genů., Inaktivace dam nebo drg (geny nahrazující dam) v Pasteurella multocida vede k robustním mutátorovým fenotypům . Mutace v dnaQ, který kóduje korektury (epsilon) podjednotku replikativní DNA polymeráza III, protože pozoruhodné zvyšuje rychlost mutace v důsledku vadného odstranění misincorporated nukleotidů během replikace DNA. Mutace v genech kódující GO systém (mutM, mutY, a mutT), které opravy oxiduje guanines (8-oxodG), vést ke středním nebo vysokým mutator fenotypy (např. viz Ref. )., Další mutator geny kódují proteiny, které zabraňují poškození DNA prostřednictvím detoxikace, spíše než opravit škody, jako oxyR a sodA .
Mutator kmeny odhaduje se, že tvoří asi 1% přírodní populaci E. coli, a mutator fenotypy se vyskytují v obou symbiotických a patogenních kmenů . Konstitutivní mutátory představují mocnou výzvu pro oblasti zdravotnictví, protože mají tendenci být běžné u infekčních onemocnění, jako je cystická fibróza (popsáno zde), infekce močových cest , a jídlo-související s nemocí ., Tato část se zaměřuje na jeden z nejlépe charakterizovaných příkladů vlivu mutátorových kmenů na klinickou praxi: kolonizace Pseudomonas aeruginosa u pacientů s cystickou fibrózou (CF).
CF je způsobena mutacemi v genu kódujícím CF transmembránový regulátor vodivosti (CFTR) a je nejčastějším autosomálně recesivním genetickým onemocněním u bělochů . Fyzikální účinky CF vedou k silné predispozici k chronickým respiračním infekcím (CRIs), které jsou hlavní příčinou vysoké morbidity a předčasné mortality u pacientů s CF ., Zatímco infekce s řadou bakterií může dojít u CF pacientů, včetně Haemophilus influenzae a Staphylococcus aureus, P. aeruginosa infekce je nejčastější . Docela pozoruhodně, rané studie ukázala, že až 20% izolátů, z 37% pacientů zkoumal, byly chronicky kolonizována mutator kmeny P. aeruginosa . Naproti tomu pacienti s akutními infekcemi nevykazovali takové obohacení pro mutátory . Tato pozorování naznačují, že mutátory byly zvláště spojeny s CRIs., Tento koncept byl potvrzen později studii, která ukázala, že podíl mutator izolátů se zvýšil z 0% na 65% po 20 letech chronické infekce . Genetický základ pro tyto mutator fenotypy byl, jak se dalo očekávat, a to především z důvodu vady na MMR cesta, jak se mezi 60% a 90% mutator izolátů měly mutace v MMR genech, nejčastěji mutS .
Jeden intenzivně studoval důsledkem CRI tím, mutator kmeny P. aeruginosa je rozvoj rezistence vůči antibiotikům. Po mnoha letech agresivní antibiotické léčby je antibiotická rezistence častější u P., kmeny aeruginosa izolované od chronicky infikovaných pacientů s CF ve srovnání s izoláty z akutních infekcí . Oliver et al. (2000) nejprve charakterizoval prevalenci mutátorových kmenů mezi kmeny rezistentními na antibiotika P.aeruginosa izolovanými od pacientů s CF. Prokázali, že mutator kmeny byly častěji rezistentní k osmi běžně používaných léčiv proti P. aeruginosa infekce: až 40% mutátory byly odolné ve srovnání s pouze 5% nonmutators. Tato korelace mezi mutačními fenotypy a rezistencí na antibiotika byla následně potvrzena následnými studiemi ., V jedné zvláště zajímavé studii Ferroni et al. (2009) prokázalo, že mutační kmeny získaly další antibiotickou rezistenci rychleji než nemutátorové kmeny. Roli mutator genotypů v podpoře antibiotické rezistence není jedinečné pro P. aeruginosa, jak podobné vztahy byly nalezeny u S. aureus a H. influenzae izolované kmeny z CF pacientů .
CF pacient je obvykle kolonizován jediným kmenem P .aeruginosa, který přetrvává po celou dobu jejich životnosti., Hostitelský respirační trakt představuje mikroprostředí, ve kterém mohou různé selektivní tlaky působit na kmen vedoucí k divergenci a fixaci fenotypových variant. V mnoha případech jsou tyto nové fenotypy způsobeny mutacemi se ztrátou funkce, které přispívají k adaptaci hostitele a podporují chronickou infekci. Například mutace, které zmírňují geny virulence, mohou posunout patologické výsledky infekce od akutního poškození a směrem k chronickým účinkům, které podporují perzistenci., Genetický základ takové adaptace byl časově charakterizován pomocí sekvenování celého genomu . Srovnání genomů z časných a pozdních izolátů odhalilo akumulace až 68 mutace, které, v mnoha případech za následek ztrátu funkce virulence genů, což představuje virulence adaptace, který favorizoval dlouhodobé kolonizace (jak již bylo zmíněno dříve). Není divu, že následná práce prokázala, že tato rychlá genetická adaptace byla poháněna mutačním fenotypem .,
Tento příklad ukazuje, že constitutively vyšší mutace sazby a odpovídající zvýšení genomové nestability může být prospěšné pro organismus, neboť čelí výzvám z jeho prostředí; nicméně, tyto genomické plynulost může také mít škodlivé následky pro organismus. Například upravené kmeny P .aeruginosa izolované od pacientů s CF mají sníženou přenosnost. Kromě toho, zatímco nonmutator kmeny se mohou šířit mezi pacienty s CF, šíření mutátorových kmenů nebylo pozorováno ., Konečně vysoce přizpůsobené mutátorové izoláty snížily způsobilost a virulenci v sekundárním prostředí . Tak, to je jasné, že, ve skutečnosti, genomové nestability vyvolané mutator genotypů výsledky v remorkér-o-válka mezi potenciálně prospěšné a škodlivé výsledky, které jsou řazeny na základě selektivní tlaky na životní prostředí. Zatímco tento důsledek nestability genomu je specificky demonstrován v tomto příkladu, pravděpodobně představuje univerzální atribut organismů se zvýšenou mírou mutace.