3 Genom Ustabilitet på Grund af Stabil Mutator Genotyper
Konstituerende mutator bakterier har en øget spontan mutation sats, der er forårsaget af defekter i de gener, der koder for DNA-reparation faktorer eller andre komponenter af andre genom overvågning og beskyttende veje, der fører til destabilisering af genomet. Af de typiske DNA-reparationsveje (se Kapitel 4) skyldes størstedelen af stærke mutatorfænotyper mutationer i MMR-stien. MMR-vejen er ekstremt vigtig for at opretholde genomstabilitet i E., coli, da inaktivering af vejen ved mutationer i nogen af de centrale gener kan øge mutationshastigheden mellem 100-og 200 gange . Denne store stigning i spontan mutation rate i MMR-defekt stammer, der afspejler mangfoldigheden i de typer af skader, anerkendt og repareres af denne vej, herunder forkert forbundne baser (især på grund af misincorporation og korrekturlæsning fejl under DNA-replikation) og små insertioner og deletioner. I en 2012 mutation ophobning eksperiment, en MMR-mangelfuld E., coli-stammen havde en 138 gange stigning i antallet af basepar-substitutioner sammenlignet med den isogene vildtype-stamme. Den MMR-defekte stamme havde også en 288 gange stigning i dannelsen af Indsætninger og deletioner, typisk 4 4 nukleotider.
en interessant, og undertiden underappreciated, funktion af MMR-vejen er at undertrykke ukorrekt rekombination . E., coli homolog rekombination (HR)-medieret af RecA og RecBCD kompleks kræver perfekt eller næsten perfekt homologi i rekombinerer DNA-sekvenser, men den grad af homologi, der kræves for produktive rekombination er afslappet i MMR-defekt stammer. For eksempel, transduktion mellem Salmonella enterica serovar Typhimurium og E. coli er begrænset af modtagerens MMR-systemet, som registrerer og forstyrrer dannelsen af heteroduplexer ved at genkende sekvensen divergens ., Som dette eksempel viser, kan reguleringen af rekombination ved MMR virke som en barriere for HGT mellem nært beslægtede arter, hvilket tjener en yderligere rolle i bevarelsen af genomintegriteten.
Mutatorfænotyper skyldes ikke udelukkende defekter i MMR-vejen. En vigtig hjælpefaktor til MMR er DNA-adeninmethylase-dæmningen . Dette protein er nødvendigt for DNA-methylering, der letter streng skelnen under MMR og har andre vigtige roller i DNA-replikation og gen regulering., Inaktivering af dam eller drg (dam-erstatter gener) i Pasteurella multocida fører til robuste mutator fænotyper . Mutationer i DNA., som koder for korrekturlæsningsunderenheden (epsilon) i den replikative DNA-polymerase III, forårsager bemærkelsesværdige stigninger i mutationshastigheden på grund af defekt fjernelse af misincorporerede nukleotider under DNA-replikation. Mutationer i gener, der koder for GO-systemet (mutM, mutY og mutT), som reparerer o .iderede guaniner (8-o .odg), fører til mellemstore til høje mutatorfænotyper (f.eks. )., Andre mutatorgener koder proteiner, der forhindrer DNA-skade via afgiftning, snarere end reparationsskader, såsom o .yr og sodA .1% af den naturlige E. coli-population, og mutatorfænotyper forekommer i både kommensale og patogene stammer . Konstitutive mutatorer repræsenterer en stærk udfordring for det medicinske område, da de har tendens til at være almindelige i infektionssygdomme, såsom cystisk fibrose (diskuteret her), urinvejsinfektioner og fødevarerelaterede sygdomme ., Dette afsnit fokuserer på et af de bedst karakteriserede eksempler på virkningen af mutatorstammer på klinisk praksis: Pseudomonas aeruginosa kolonisering af cystisk fibrose (CF) patienter.
CF er forårsaget af mutationer i genet, der koder for CF transmembrane conductance regulator (CFTR) og er de mest almindelige autosomale recessive genetiske sygdomme hos kaukasiere . De fysiske virkninger af CF fører til en stærk disposition for kroniske luftvejsinfektioner (CRIs), som er den vigtigste årsag til høj sygelighed og for tidlig dødelighed hos CF-patienter ., Mens infektioner med en række bakterier kan forekomme hos CF-patienter, herunder Haemophilus influen .ae og Staphylococcus aureus, er P. aeruginosa-infektion den mest almindelige . Ganske bemærkelsesværdigt afslørede en tidlig undersøgelse, at op til 20% af isolaterne fra 37% af de undersøgte patienter blev kronisk koloniseret af mutatorstammer af P. aeruginosa . I modsætning hertil viste patienter, der havde akutte infektioner, ikke sådan berigelse for mutatorer . Disse observationer antyder, at mutatorer især var forbundet med Cris., Dette koncept blev bekræftet af en senere undersøgelse, der viste, at andelen af mutatorisolater steg fra 0% til 65% efter 20 års kronisk infektion . Det genetiske grundlag for disse mutatorfænotyper skyldtes, som man kunne forvente, stort set defekter i MMR-vejen, da mellem 60% og 90% af mutatorisolaterne havde mutationer i MMR-gener, oftest mutS .
en intensivt undersøgt konsekvens af CRI af mutatorstammer af P. aeruginosa er udviklingen af antibiotikaresistens. Efter mange års aggressiv antibiotikabehandling er antibiotikaresistens mere almindelig hos P., aeruginosa stammer isoleret fra kronisk inficerede CF patienter sammenlignet med isolater fra akutte infektioner . Oliver et al. (2000) karakteriserede først forekomsten af mutatorstammer blandt antibiotikaresistente P. aeruginosa-stammer isoleret fra CF-patienter. De demonstrerede, at mutatorstammer var hyppigere resistente over for otte almindeligt anvendte terapeutika mod P. aeruginosa-infektion: op til 40% af mutatorerne var resistente sammenlignet med kun 5% af ikke-mutatorer. Denne sammenhæng mellem mutatorfænotyper og antibiotikaresistens blev efterfølgende bekræftet ved opfølgningsundersøgelser ., I en særlig interessant undersøgelse, Ferroni et al. (2009) viste, at mutatorstammer erhvervede yderligere antibiotikaresistens hurtigere end nonmutatorstammer. Mutatorgenotypernes rolle i at fremme antibiotikaresistens er ikke unik for P. aeruginosa, da lignende forhold er fundet i S. aureus-og H. influen .ae-stammer isoleret fra CF-patienter .
en CF-patient koloniseres normalt af en enkelt stamme af P. aeruginosa, der vedvarer gennem deres levetid ., Værtens luftveje repræsenterer et mikromiljø, hvor forskellige selektive tryk kan virke på stammen, der fører til divergens og fiksering af fænotypiske varianter. I mange tilfælde, disse nye fænotyper skyldes tab af funktionsmutationer, der bidrager til værtstilpasning og understøtter kronisk infektion. For eksempel kan mutationer, der dæmper virulensgener, flytte de patologiske resultater af infektionen væk fra akut skade og mod kroniske effekter, der understøtter persistens., Den genetiske understøttelse af en sådan tilpasning er midlertidigt karakteriseret ved anvendelse af sekventering af hele genomet . Sammenligning af genomerne fra tidlige og sene isolater afslørede akkumulering af op til 68 mutationer, der i mange tilfælde resulterede i tab af funktion af virulensgener, hvilket repræsenterer en virulenstilpasning, der favoriserede langsigtet kolonisering (som tidligere nævnt). Ikke overraskende viste efterfølgende arbejde, at denne hurtige genetiske tilpasning blev drevet af en mutatorfænotype .,
dette eksempel viser, at konstitutivt højere mutationshastigheder og den tilsvarende stigning i genomstabilitet kan være gavnlig for en organisme, da den står over for udfordringerne i sit miljø; imidlertid kan sådan genomisk fluiditet også have skadelige resultater for organismen. For eksempel har tilpassede stammer af P. aeruginosa isoleret fra CF-patienter reduceret transmissibilitet . Selvom nonmutatorstammer kan sprede sig mellem CF-patienter, er spredningen af mutatorstammer ikke observeret ., Endelig har meget tilpassede mutatorisolater nedsat kondition og virulens i sekundære miljøer . Det er således klart, at genomets ustabilitet induceret af mutatorgenotyper resulterer i en tovtrækning mellem potentielt gavnlige og skadelige resultater, som sorteres ud fra det selektive pres i miljøet. Selvom denne konsekvens af genomstabilitet specifikt demonstreres i dette eksempel, repræsenterer den sandsynligvis en universel egenskab af organismer med forhøjede mutationshastigheder.