3 Instabilità del Genoma a Causa di Stabile Mutatore Genotipi
Costitutivo mutatore batteri hanno un aumento del tasso di mutazione spontanea causata da difetti nei geni che codificano per fattori di riparazione del DNA o di altri componenti di altre genoma di monitoraggio e di protezione vie che porta alla destabilizzazione del genoma. Dei tipici percorsi di riparazione del DNA (vedere Capitolo 4), la maggior parte dei fenotipi mutatori forti sono dovuti a mutazioni nella via MMR. La via MMR è estremamente importante per mantenere la stabilità del genoma in E., coli, poiché l’inattivazione della via da mutazioni in uno qualsiasi dei geni centrali può aumentare i tassi di mutazione tra 100 e 200 volte . Questo grande aumento del tasso di mutazione spontanea nei ceppi MMR-difettosi riflette la diversità nei tipi di danni riconosciuti e riparati da questa via, incluse basi accoppiate in modo errato (specialmente a causa di errori di incorporazione e correzione di bozze durante la replicazione del DNA) e piccoli inserimenti ed eliminazioni. In un esperimento di accumulo di mutazione 2012, un E carente di MMR., il ceppo coli ha avuto un aumento di 138 volte nel numero di sostituzioni della coppia di basi rispetto al ceppo isogenico wild-type. Il ceppo MMR-difettoso ha anche avuto un aumento di 288 volte nella formazione di inserzioni e delezioni, tipicamente ≤4 nucleotidi.
Una funzione interessante, e talvolta sottovalutata, del percorso MMR è quella di sopprimere la ricombinazione impropria . E., la ricombinazione omologa coli (HR)-mediata da RecA e dal complesso RecBCD richiede un’omologia perfetta o quasi perfetta nelle sequenze di DNA ricombinante; tuttavia, il livello di omologia richiesto per la ricombinazione produttiva è rilassato nei ceppi difettosi di MMR. Ad esempio, la trasduzione tra Salmonella enterica serovar Typhimurium e E. coli è limitata dal sistema MMR del destinatario, che rileva e interrompe la formazione di eteroduplessi riconoscendo la divergenza di sequenza ., Come mostra questo esempio, la regolazione della ricombinazione da MMR può fungere da barriera all’HGT tra specie strettamente correlate, svolgendo così un ruolo aggiuntivo nel preservare l’integrità del genoma.
I fenotipi mutatori non sono dovuti esclusivamente a difetti nella via MMR. Un fattore ausiliario chiave a MMR è la diga dell’adenina metilasi del DNA . Questa proteina è necessaria per la metilazione del DNA che facilita il discernimento del filo durante la MMR e ha altri ruoli importanti nella replicazione del DNA e nella regolazione del gene., L’inattivazione di dam o drg (geni dam-replacing) in Pasteurella multocida porta a fenotipi mutatori robusti . Le mutazioni in dnaQ, che codifica la subunità di correzione di bozze (epsilon) della DNA polimerasi III replicativa, causano notevoli aumenti del tasso di mutazione a causa della rimozione difettosa di nucleotidi misincorporati durante la replicazione del DNA. Mutazioni nei geni che codificano il sistema GO (mutM, mutY e mutT), che ripara le guanine ossidate (8-oxodG), portano a fenotipi mutatori medio-alti (ad es. )., Altri geni mutatori codificano proteine che prevengono il danno al DNA attraverso la disintossicazione, piuttosto che riparare i danni, come oxyR e sodA .
Si stima che i ceppi mutatori costituiscano circa l ‘ 1% della popolazione naturale di E. coli e che i fenotipi mutatori si verifichino sia nei ceppi commensali che in quelli patogeni . I mutatori costitutivi rappresentano una sfida potente per il campo medico in quanto tendono ad essere comuni nelle malattie infettive, come la fibrosi cistica (discussa qui), le infezioni del tratto urinario e le malattie legate al cibo ., Questa sezione si concentra su uno degli esempi meglio caratterizzati dell’impatto dei ceppi mutatori sulla pratica clinica: la colonizzazione di Pseudomonas aeruginosa dei pazienti affetti da fibrosi cistica (CF).
La CF è causata da mutazioni nel gene che codifica per il regolatore di conduttanza transmembrana CF (CFTR) ed è la più comune malattia genetica autosomica recessiva nei caucasici . Gli effetti fisici della CF portano ad una forte predisposizione per le infezioni respiratorie croniche (CRIs), che sono la principale causa di alta morbilità e mortalità prematura nei pazienti affetti da CF ., Mentre le infezioni con una serie di batteri possono verificarsi in pazienti con FC, tra cui Haemophilus influenzae e Staphylococcus aureus, l’infezione da P. aeruginosa è la più comune . Sorprendentemente, uno studio iniziale ha rivelato che fino al 20% degli isolati dal 37% dei pazienti esaminati erano cronicamente colonizzati da ceppi mutatori di P. aeruginosa . Al contrario, i pazienti che presentavano infezioni acute non hanno mostrato tale arricchimento per i mutatori . Queste osservazioni suggeriscono che i mutatori erano particolarmente associati a CRIs., Questo concetto è stato confermato da uno studio successivo che ha dimostrato che la percentuale di isolati mutatori è aumentata dallo 0% al 65% dopo 20 anni di infezione cronica . La base genetica di questi fenotipi mutatori era, come ci si potrebbe aspettare, in gran parte dovuta a difetti nella via MMR, poiché tra il 60% e il 90% degli isolati mutatori avevano mutazioni nei geni MMR, più comunemente MUTS .
Una conseguenza intensamente studiata della CRI da ceppi mutatori di P. aeruginosa è lo sviluppo della resistenza agli antibiotici. Dopo molti anni di trattamento antibiotico aggressivo, la resistenza agli antibiotici è più comune in P., ceppi di aeruginosa isolati da pazienti affetti da FC cronicamente infetti rispetto a isolati da infezioni acute . Oliver et al. (2000) ha caratterizzato per la prima volta la prevalenza di ceppi mutatori tra ceppi di P. aeruginosa resistenti agli antibiotici isolati da pazienti affetti da CF. Hanno dimostrato che i ceppi mutatori erano più frequentemente resistenti a otto terapie comunemente usate contro l’infezione da P. aeruginosa: fino al 40% dei mutatori erano resistenti rispetto al solo 5% dei non mutatori. Questa correlazione tra fenotipi mutatori e resistenza agli antibiotici è stata successivamente corroborata da studi di follow-up ., In uno studio particolarmente interessante, Ferroni et al. (2009) ha dimostrato che i ceppi mutatori hanno acquisito ulteriore resistenza agli antibiotici più rapidamente rispetto ai ceppi non mutatori. Il ruolo dei genotipi mutatori nel promuovere la resistenza agli antibiotici non è unico per P. aeruginosa, poiché relazioni simili sono state trovate in ceppi di S. aureus e H. influenzae isolati da pazienti affetti da CF .
Un paziente CF è normalmente colonizzato da un singolo ceppo di P. aeruginosa che persiste per tutta la vita ., Il tratto respiratorio ospite rappresenta un microambiente in cui diverse pressioni selettive possono agire sul ceppo portando alla divergenza e alla fissazione delle varianti fenotipiche. In molti casi, questi nuovi fenotipi sono dovuti a mutazioni di perdita di funzione che contribuiscono all’adattamento dell’ospite e supportano l’infezione cronica. Per esempio, le mutazioni che attenuano i geni di virulenza possono spostare i risultati patologici dell’infezione a partire da danno acuto e verso gli effetti cronici che sostengono la persistenza., La base genetica di tale adattamento è stata caratterizzata temporalmente utilizzando il sequenziamento dell’intero genoma . Il confronto dei genomi da isolati precoci e tardivi ha rivelato l’accumulo di fino a 68 mutazioni che, in molti casi, hanno portato alla perdita della funzione dei geni della virulenza, rappresentando un adattamento alla virulenza che ha favorito la colonizzazione a lungo termine (come accennato in precedenza). Non sorprendentemente, il lavoro successivo ha dimostrato che questo rapido adattamento genetico è stato guidato da un fenotipo mutatore .,
Questo esempio dimostra che tassi di mutazione costitutivamente più elevati e il corrispondente aumento dell’instabilità del genoma possono essere benefici per un organismo mentre affronta le sfide del suo ambiente; tuttavia, tale fluidità genomica può anche avere risultati dannosi per l’organismo. Ad esempio, ceppi adattati di P. aeruginosa isolati da pazienti con FC hanno ridotto la trasmissibilità . Inoltre, mentre i ceppi non mutatori possono diffondersi tra i pazienti con CF, la diffusione di ceppi mutatori non è stata osservata ., Infine, gli isolati mutatori altamente adattati hanno ridotto la forma fisica e la virulenza negli ambienti secondari . Quindi, è chiaro che, in effetti, l’instabilità del genoma indotta dai genotipi mutatori si traduce in un braccio di ferro tra risultati potenzialmente benefici e dannosi, che vengono risolti in base alle pressioni selettive dell’ambiente. Mentre questa conseguenza dell’instabilità del genoma è specificamente dimostrata in questo esempio, probabilmente rappresenta un attributo universale di organismi con tassi di mutazione elevati.