3 Genominstabilität aufgrund stabiler Mutatorgenotypen
Konstitutive Mutatorbakterien weisen eine erhöhte spontane Mutationsrate auf, die durch Defekte in Genen verursacht wird, die für DNA-Reparaturfaktoren oder andere Komponenten anderer Genomüberwachungs-und Schutzwege kodieren, was zu einer Destabilisierung des Genoms führt. Von den typischen DNA-Reparaturwegen (siehe Kapitel 4) sind die meisten starken Mutatorphänotypen auf Mutationen im MMR-Pfad zurückzuführen. Der MMR-Weg ist äußerst wichtig für die Aufrechterhaltung der Genomstabilität in E., coli, wie Inaktivierung des Weges durch Mutationen in einem der zentralen Gene kann Mutationsraten zwischen 100 – und 200-fach erhöhen . Dieser starke Anstieg der spontanen Mutationsrate bei MMR-defekten Stämmen spiegelt die Vielfalt der Arten von Schäden wider, die von diesem Weg erkannt und repariert werden, einschließlich falsch gepaart Basen (insbesondere aufgrund von Fehlinkorporation und Korrekturlesen während der DNA-Replikation) und kleine Einfügungen und Löschungen. In einem Mutationsakkumulationsexperiment 2012 wurde ein MMR-defizientes E., der Coli-Stamm hatte eine 138-fache Zunahme der Anzahl von Basenpaar-Substitutionen im Vergleich zum isogenen Wildtyp-Stamm. Der MMR-defekte Stamm hatte auch eine 288-fache Zunahme der Bildung von Insertionen und Deletionen, typischerweise ≤4 Nukleotide.
Eine interessante und manchmal unterschätzte Funktion des MMR-Pfades besteht darin, eine falsche Rekombination zu unterdrücken . E., coli-homologe Rekombination (HR)-vermittelt durch RecA und den RecBCD-Komplex erfordert eine perfekte oder nahezu perfekte Homologie in den rekombinanten DNA-Sequenzen; Das für die produktive Rekombination erforderliche Homologieniveau wird jedoch bei MMR-defekten Stämmen erreicht. Zum Beispiel ist die Transduktion zwischen Salmonella enterica serovar Typhimurium und E. coli durch das MMR-System des Empfängers begrenzt, das die Bildung von Heteroduplexen durch Erkennen von Sequenzdivergenz erkennt und stört ., Wie dieses Beispiel zeigt, kann die Regulation der Rekombination durch MMR als Barriere gegen HGT zwischen eng verwandten Arten wirken und somit eine zusätzliche Rolle bei der Erhaltung der Genomintegrität spielen.
Mutatorphänotypen sind nicht ausschließlich auf Defekte im MMR-Weg zurückzuführen. Ein wichtiger Nebenfaktor für MMR ist der DNA-Adeninmethylase-Dam . Dieses Protein wird für die DNA-Methylierung benötigt, die die Strangscheidung während der MMR erleichtert und andere wichtige Rollen bei der DNA-Replikation und Genregulation spielt., Inaktivierung von dam-oder drg (dam-Austausch von Genen) in Pasteurella multocida führt zu robusten mutator-Phänotypen . Mutationen in dnaQ, die die Korrekturlesen (Epsilon) – Untereinheit der replikativen DNA-Polymerase III kodieren, verursachen eine bemerkenswerte Erhöhung der Mutationsrate aufgrund einer fehlerhaften Entfernung von nicht korporativen Nukleotiden während der DNA-Replikation. Mutationen in Genen, die für das GO-System kodieren (mutM, mutY und mutT), das oxidierte Guanine (8-oxodG) repariert, führen zu mittleren bis hohen Mutatorphänotypen (z. B. siehe Ref. )., Andere Mutatorgene kodieren Proteine, die DNA-Schäden durch Entgiftung verhindern, anstatt Schäden wie oxyR und sodA zu reparieren .
Mutatorstämme machen schätzungsweise etwa 1% der natürlichen E. coli-Population aus, und Mutatorphänotypen treten sowohl bei kommensalen als auch bei pathogenen Stämmen auf . Konstitutive Mutatoren stellen eine große Herausforderung für den medizinischen Bereich dar, da sie häufig bei Infektionskrankheiten wie Mukoviszidose (hier diskutiert), Harnwegsinfektionen und lebensmittelbedingten Erkrankungen auftreten ., Dieser Abschnitt konzentriert sich auf eines der am besten charakterisierten Beispiele für die Auswirkungen von Mutatorenstämmen auf die klinische Praxis: Pseudomonas aeruginosa-Besiedlung von Patienten mit Mukoviszidose (CF).
CF wird durch Mutationen im Gen verursacht, das für den CF-Transmembranleitungsregulator (CFTR) kodiert, und ist die häufigste autosomal-rezessive genetische Erkrankung bei Kaukasiern . Die physikalischen Wirkungen von CF führen zu einer starken Prädisposition für chronische Atemwegsinfektionen (CRIs), die bei CF-Patienten die Hauptursache für hohe Morbidität und vorzeitige Mortalität sind ., Während Infektionen mit einer Reihe von Bakterien bei CF-Patienten auftreten können, einschließlich Haemophilus influenzae und Staphylococcus aureus, ist die Infektion mit P. aeruginosa am häufigsten . Bemerkenswert ist, dass eine frühe Studie ergab, dass bis zu 20% der Isolate von 37% der untersuchten Patienten chronisch durch Mutatorstämme von P. aeruginosa besiedelt waren . Im Gegensatz dazu zeigten Patienten mit akuten Infektionen keine solche Anreicherung für Mutatoren . Diese Beobachtungen legen nahe, dass Mutatoren besonders mit CRIs assoziiert waren., Dieses Konzept wurde durch eine spätere Studie bestätigt, die zeigte, dass der Anteil der Mutatorisolate nach 20 Jahren chronischer Infektion von 0% auf 65% anstieg . Die genetische Grundlage für diese Mutatorphänotypen war, wie zu erwarten war, weitgehend auf Defekte im MMR-Weg zurückzuführen, da zwischen 60% und 90% der Mutatorisolate Mutationen in MMR-Genen aufwiesen, am häufigsten mutS .
Eine intensiv untersuchte Folge von CRI durch Mutatorstämme von P. aeruginosa ist die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen. Nach vielen Jahren aggressiver Antibiotikabehandlung ist eine Antibiotikaresistenz bei P häufiger., aeruginosa-Stämme isoliert von chronisch infizierten CF-Patienten im Vergleich zu Isolaten von akuten Infektionen . Oliver et al. (2000) charakterisierte zunächst die Prävalenz von Mutatorstämmen bei antibiotikaresistenten P. aeruginosa-Stämmen, die von CF-Patienten isoliert wurden. Sie zeigten, dass Mutatorstämme häufiger gegen acht häufig verwendete Therapeutika gegen P. aeruginosa-Infektion resistent waren: Bis zu 40% der Mutatoren waren resistent im Vergleich zu nur 5% der Nichtmutatoren. Diese Korrelation zwischen Mutatorphänotypen und Antibiotikaresistenz wurde anschließend durch Follow-up-Studien bestätigt ., In einer besonders interessanten Studie Ferroni et al. (2009) zeigte, dass Mutatorstämme schneller zusätzliche Antibiotikaresistenzen erhielten als Nichtmutatorstämme. Die Rolle von Mutatorgenotypen bei der Förderung der Antibiotikaresistenz ist für P. aeruginosa nicht einzigartig, da ähnliche Beziehungen bei S. aureus-und H. influenzae-Stämmen gefunden wurden, die von CF-Patienten isoliert wurden .
Ein CF-Patient wird normalerweise von einem einzigen Stamm von P. aeruginosa besiedelt, der sein Leben lang anhält ., Die Atemwege des Wirts stellen eine Mikroumgebung dar, in der unterschiedliche selektive Drücke auf die Belastung einwirken können, die zur Divergenz und Fixierung phänotypischer Varianten führt. In vielen Fällen sind diese neuartigen Phänotypen auf Funktionsverlustmutationen zurückzuführen, die zur Anpassung des Wirts beitragen und chronische Infektionen unterstützen. Zum Beispiel können Mutationen, die Virulenzgene abschwächen, die pathologischen Ergebnisse der Infektion weg von akuten Schäden und in Richtung chronischer Effekte verschieben, die Persistenz unterstützen., Die genetische Untermauerung einer solchen Anpassung wurde zeitlich durch Sequenzierung des gesamten Genoms charakterisiert . Ein Vergleich der Genome von frühen und späten Isolaten ergab die Akkumulation von bis zu 68 Mutationen, die in vielen Fällen zum Funktionsverlust von Virulenzgenen führten, was eine Virulenzanpassung darstellt, die eine langfristige Besiedlung begünstigt (wie bereits erwähnt). Es überrascht nicht, dass nachfolgende Arbeiten zeigten, dass diese schnelle genetische Anpassung von einem Mutatorphänotyp angetrieben wurde .,
Dieses Beispiel zeigt, dass konstitutiv höhere Mutationsraten und die entsprechende Zunahme der Genominstabilität für einen Organismus von Vorteil sein können, da er sich den Herausforderungen seiner Umwelt stellt; Eine solche genomische Fluidität kann jedoch auch nachteilige Folgen für den Organismus haben. Zum Beispiel haben angepasste Stämme von P. aeruginosa, die von CF-Patienten isoliert wurden, eine verringerte Transmissibilität . Während sich nichtmutatorische Stämme zwischen CF-Patienten ausbreiten können, wurde die Ausbreitung von Mutatorstämmen nicht beobachtet ., Schließlich haben hochangepasste Mutatorisolate die Fitness und Virulenz in sekundären Umgebungen verringert . Somit ist es klar, dass die durch Mutatorgenotypen induzierte Genominstabilität tatsächlich zu einem Tauziehen zwischen potenziell vorteilhaften und nachteiligen Ergebnissen führt, die auf der Grundlage des selektiven Drucks der Umwelt aussortiert werden. Während diese Konsequenz der Genominstabilität in diesem Beispiel speziell demonstriert wird, stellt sie wahrscheinlich ein universelles Attribut von Organismen mit erhöhten Mutationsraten dar.