3 inestabilidad del genoma debido a genotipos mutantes estables
Las bacterias mutantes constitutivas tienen una mayor tasa de mutación espontánea causada por defectos en los genes que codifican factores de reparación del ADN u otros componentes de otras vías de monitoreo y protección del genoma que conducen a la desestabilización del genoma. De las vías típicas de reparación del ADN (ver capítulo 4), la mayoría de los fenotipos mutantes fuertes se deben a mutaciones en la vía MMR. La vía MMR es extremadamente importante para mantener la estabilidad del genoma en E., coli, como inactivación de la vía por mutaciones en cualquiera de los genes centrales puede aumentar las tasas de mutación entre 100 y 200 veces . Este gran aumento en la tasa de mutación espontánea en cepas defectuosas de MMR refleja la diversidad en los tipos de daño reconocidos y reparados por esta vía, incluyendo bases emparejadas incorrectamente (especialmente debido a errores de incorporación y corrección de errores durante la replicación del ADN) y pequeñas inserciones y eliminaciones. En un experimento de acumulación de mutaciones de 2012, Una E deficiente en MMR., la cepa coli tuvo un aumento de 138 veces en el número de sustituciones de pares de bases en comparación con la cepa isogénica de tipo salvaje. La cepa MMR-defectuosa también tuvo un aumento de 288 veces en la formación de inserciones y deleciones, típicamente ≤4 nucleótidos.
una función interesante, y a veces subestimada, de la vía MMR es suprimir la recombinación inadecuada . E., la recombinación homóloga de coli (HR) mediada por RecA y el complejo RecBCD requiere una homología perfecta o casi perfecta en las secuencias de ADN recombinante; sin embargo, el nivel de homología requerido para la recombinación productiva es relajado en cepas defectuosas de MMR. Por ejemplo, la transducción entre Salmonella enterica serovar Typhimurium y E. coli está limitada por el sistema MMR del receptor, que detecta e interrumpe la formación de heteroduplejos al reconocer la divergencia de la secuencia ., Como muestra este ejemplo, la regulación de la recombinación por MMR puede actuar como una barrera para HGT entre especies estrechamente relacionadas, sirviendo así un papel adicional en la preservación de la integridad del genoma.
los fenotipos mutantes no se deben exclusivamente a defectos en la vía MMR. Un factor auxiliar clave para la MMR es la Dam de ADN adenina metilasa . Esta proteína es necesaria para la metilación del ADN que facilita el discernimiento de la hebra durante la MMR y tiene otros papeles importantes en la replicación del ADN y la regulación génica., La inactivación de Dam o drg (genes de sustitución de Dam) en Pasteurella multocida conduce a fenotipos mutantes robustos . Las mutaciones en dnaQ, que codifica la subunidad de corrección (epsilon) de la polimerasa de ADN replicativa III, causan aumentos Notables en la tasa de mutación debido a la eliminación defectuosa de nucleótidos mal incorporados durante la replicación del ADN. Las mutaciones en los genes que codifican el sistema GO (mutM, mutY, y mutT), que repara las guaninas oxidadas (8-oxodG), conducen a fenotipos mutantes de medio a alto (por ejemplo, ver Ref. )., Otros genes mutantes codifican proteínas que previenen el daño del ADN a través de la desintoxicación, en lugar de reparar daños, como oxyR y sodA .
Se estima que las cepas mutantes representan aproximadamente el 1% de la población natural de E. coli, y los fenotipos mutantes se producen tanto en cepas comensales como patógenas . Los mutantes constitutivos representan un poderoso desafío para el campo médico, ya que tienden a ser comunes en enfermedades infecciosas, como la fibrosis quística (discutida aquí), las infecciones del tracto urinario y las enfermedades relacionadas con los alimentos ., Esta sección se centra en uno de los ejemplos mejor caracterizados del impacto de las cepas mutantes en la práctica clínica: la colonización por Pseudomonas aeruginosa de pacientes con fibrosis quística (FQ).
la FQ es causada por mutaciones en el gen que codifica el regulador de la conductancia transmembrana de la FQ (CFTR) y es la enfermedad genética autosómica recesiva más común en los caucásicos . Los efectos físicos de la FQ conducen a una fuerte predisposición a las infecciones respiratorias crónicas (CRIs), que son la principal causa de alta morbilidad y mortalidad prematura en pacientes con FQ ., Mientras que las infecciones con una variedad de bacterias pueden ocurrir en pacientes con FQ, incluyendo Haemophilus influenzae y Staphylococcus aureus, la infección por P. aeruginosa es la más común . Sorprendentemente, un estudio temprano reveló que hasta el 20% de los aislados del 37% de los pacientes examinados fueron colonizados crónicamente por cepas mutantes de P. aeruginosa . Por el contrario, los pacientes con infecciones agudas no mostraron tal enriquecimiento para los mutantes . Estas observaciones sugieren que los mutadores estaban especialmente asociados con CRIs., Este concepto fue confirmado por un estudio posterior que mostró que la proporción de aislados mutantes aumentó de 0% a 65% después de 20 años de infección crónica . La base genética de estos fenotipos mutantes fue, como era de esperar, en gran parte debido a defectos en la vía MMR, ya que entre el 60% y el 90% de los aislados mutantes tenían mutaciones en los genes MMR, más comúnmente mutS .
una consecuencia intensamente estudiada de IRC por cepas mutantes de P. aeruginosa es el desarrollo de resistencia a los antibióticos. Después de muchos años de tratamiento antibiótico agresivo, la resistencia a los antibióticos es más común en P., cepas de aeruginosa aisladas de pacientes con FQ con infección crónica en comparación con cepas aisladas de infecciones agudas . Oliver et al. (2000) caracterizaron por primera vez la prevalencia de cepas mutantes entre cepas de P. aeruginosa resistentes a antibióticos aisladas de pacientes con FQ. Demostraron que las cepas mutantes eran más resistentes a ocho tratamientos comúnmente utilizados contra la infección por P. aeruginosa: hasta el 40% de los mutantes eran resistentes en comparación con solo el 5% de los no mutantes. Esta correlación entre los fenotipos mutantes y la resistencia a los antibióticos fue corroborada posteriormente por estudios de seguimiento ., En un estudio particularmente interesante, Ferroni et al. (2009) demostraron que las cepas mutantes adquirieron resistencia antibiótica adicional más rápidamente que las cepas no mutantes. El papel de los genotipos mutantes en la promoción de la resistencia a los antibióticos no es exclusivo de P. aeruginosa, ya que se han encontrado relaciones similares en cepas de S. aureus y H. influenzae aisladas de pacientes con FQ .
un paciente con FQ normalmente es colonizado por una sola cepa de P. aeruginosa que persiste durante toda su vida ., El tracto respiratorio del huésped representa un microambiente en el que diferentes presiones selectivas pueden actuar sobre la cepa que conduce a la divergencia y fijación de variantes fenotípicas. En muchos casos, estos nuevos fenotipos se deben a mutaciones de pérdida de función que contribuyen a la adaptación del huésped y apoyan la infección crónica. Por ejemplo, las mutaciones que atenúan los genes de virulencia pueden cambiar los resultados patológicos de la infección lejos del daño agudo y hacia efectos crónicos que apoyan la persistencia., La base genética de dicha adaptación se ha caracterizado temporalmente utilizando la secuenciación del genoma completo . La comparación de los genomas de aislados tempranos y tardíos reveló la acumulación de hasta 68 mutaciones que, en muchos casos, resultaron en la pérdida de la función de los genes de virulencia, representando una adaptación a la virulencia que favoreció la colonización a largo plazo (como se mencionó anteriormente). No es sorprendente que el trabajo posterior demostró que esta rápida adaptación genética fue impulsada por un fenotipo mutante .,
este ejemplo demuestra que las tasas de mutación constitutivamente más altas y el correspondiente aumento en la inestabilidad del genoma pueden ser beneficiosas para un organismo a medida que se enfrenta a los desafíos de su entorno; sin embargo, dicha fluidez genómica también puede tener resultados perjudiciales para el organismo. Por ejemplo, las cepas adaptadas de P. aeruginosa aisladas de pacientes con FQ han reducido la transmisibilidad . Además, aunque las cepas no mutantes pueden propagarse entre pacientes con FQ, no se ha observado la propagación de cepas mutantes ., Finalmente, los aislamientos mutantes altamente adaptados han disminuido la aptitud y la virulencia en ambientes secundarios . Por lo tanto, está claro que, de hecho, la inestabilidad del genoma inducida por los genotipos mutantes da lugar a un tira y afloja entre los resultados potencialmente beneficiosos y perjudiciales, que se clasifican en función de las presiones selectivas del medio ambiente. Si bien esta consecuencia de la inestabilidad del genoma se demuestra específicamente en este ejemplo, es probable que represente un atributo universal de los organismos con tasas de mutación elevadas.