3 Genom Ustabilitet på Grunn av Stabil Mutator Genotypes
Konstituerende mutator bakterier har en økt spontan mutasjon pris som skyldes feil i genene som koder DNA-reparasjon faktorer eller andre komponenter av andre genom overvåking og beskyttende mekanismer som fører til destabilisering av genom. Av de typiske DNA-reparasjon trasé (se Kapittel 4), de fleste av sterk mutator phenotypes er på grunn av mutasjoner i MMR veien. Den MMR veien er ekstremt viktig for å opprettholde genom stabilitet i E., coli, som inaktivering av veien ved mutasjoner i noen av de sentrale gener kan øke mutasjon priser mellom 100 – og 200-brett . Denne store økningen i spontan mutasjon pris i MMR-defekt stammer gjenspeiler mangfold i typer av skader som er anerkjent og repareres av denne veien, inkludert feilaktig koblede baser (spesielt på grunn av misincorporation og korrektur feil under DNA replikasjon) og små innsettinger og slettinger. I 2012 mutasjon akkumulering eksperiment , en MMR-mangelfull E., coli stamme hadde en 138-fold økning i antall base-par endringer i forhold til isogenic wild-type belastning. Den MMR-defekt belastning hadde også en 288-fold økning i dannelsen av innsettinger og slettinger, vanligvis ≤4 nukleotider.
Et interessant, og noen ganger lite anerkjent, funksjon av MMR vei er å undertrykke feil rekombinasjon . E., coli homologe rekombinasjon (HR)-mediert av RecA og RecBCD komplekse krever perfekt eller nær-perfekte homologi i rekombinere DNA-sekvenser, men grad av homologi som kreves for produktiv rekombinasjon er avslappet i MMR-defekt stammer. For eksempel, transduksjon mellom Salmonella enterica serovar Typhimurium og E. coli er begrenset av mottakerens MMR-systemet, som oppdager og forstyrrer dannelsen av heteroduplexes ved å anerkjenne sekvens divergens ., Som dette eksemplet viser, regulering av rekombinasjon av MMR kan fungere som en barriere for å HGT mellom nært beslektede arter, og dermed tjene en ekstra rolle i å bevare genom integritet.
Mutator phenotypes er ikke skyldes utelukkende til feil og mangler i MMR veien. En viktig støttende faktor for å MMR er DNA adenine methylase Dam . Dette proteinet er nødvendig for DNA-metylering som forenkler strand dømmekraft i løpet av MMR og har andre viktige roller i DNA-replikasjon og gene regulering., Inaktivering av dam eller drg (dam-skifte gener) i Pasteurella multocida fører til robust mutator phenotypes . Mutasjoner i dnaQ, som koder korrekturlesing (epsilon) subunit av replicative DNA-polymerase III, føre bemerkelsesverdig økning i mutasjon pris på grunn av defekte fjerning av misincorporated nukleotider under DNA replikasjon. Mutasjoner i genene som koder GÅ system (mutM, mutY, og mutT), som reparasjoner oksidert guanines (8-oxodG), føre til middels til høy mutator phenotypes (f.eks, se Ref. )., Andre mutator gener koder for proteiner som hindrer DNA-skade via avgiftning, heller enn å reparere skader, for eksempel oxyR og brus .
Mutator stammer er anslått til å gjøre opp til ca 1% av den naturlige E. coli befolkningen, og mutator phenotypes oppstå i både commensal og patogene stammer . Konstituerende mutators representerer en kraftig utfordring for det medisinske feltet, som de pleier å være vanlig i smittsomme sykdommer, som for eksempel cystisk fibrose (omtalt her), urin-skrift infeksjoner , og mat-relaterte sykdommer ., Denne delen fokuserer på en av de beste-preget eksempler på virkningen av mutator spenninger i klinisk praksis: Pseudomonas aeruginosa kolonisering av cystisk fibrose (CF) pasienter.
CF er forårsaket av mutasjoner i genet koding CF transmembrane konduktans regulator (CFTR) og er den vanligste autosomalt-recessiv genetiske sykdommer hos Kaukasiere . De fysiske effektene av CF føre til en sterk predisposisjon for kroniske luftveisinfeksjoner (Sfi), som er den viktigste årsaken til høy sykelighet og for tidlig dødelighet hos CF-pasienter ., Mens infeksjoner med et spekter av bakterier som kan forekomme i CF-pasienter, inkludert Haemophilus influenzae og Staphylococcus aureus, P. aeruginosa-infeksjon er den mest vanlige . Ganske bemerkelsesverdig, en tidlig studie viste at opp til 20% av isolatene fra 37% av de pasientene som ble undersøkt var kronisk kolonisert av mutator stammer av P. aeruginosa . I kontrast, pasienter presenterer med akutte infeksjoner ikke viser en slik berikelse for mutators . Disse observasjonene tyder på at mutators var spesielt knyttet til Sfi., Dette konseptet ble bekreftet ved en senere studie som viste at andelen av mutator isolater økt fra 0% til 65% etter 20 år med kronisk infeksjon . Det genetiske grunnlaget for disse mutator phenotypes var, som kan forventes, i stor grad på grunn av feil i MMR vei, som mellom 60% og 90% av mutator isolater hadde mutasjoner i MMR gener, som oftest mutS .
En intenst studert konsekvens av CRI av mutator stammer av P. aeruginosa er utvikling av antibiotika resistens. Etter mange år med aggressiv antibiotikabehandling antibiotika resistens er mer vanlig i S., aeruginosa stammer isolert fra kronisk infisert CF-pasienter sammenlignet med isolater fra akutte infeksjoner . Oliver et al. (2000) første preget utbredelsen av mutator stammer blant antibiotika-resistente P. aeruginosa stammer isolert fra CF-pasienter. De demonstrerte at mutator stammer var oftere resistente mot åtte brukte therapeutics mot P. aeruginosa infeksjon: opp til 40% av mutators var motstandsdyktig i forhold til bare 5% av nonmutators. Dette korrelasjon mellom mutator phenotypes og antibiotikum motstand ble senere bekreftet av follow-up studier ., I en spesielt interessant studie, Ferroni et al. (2009) viste at mutator stammer kjøpte ytterligere antibiotikum motstand raskere enn nonmutator stammer. Rollen som mutator genotypes i å fremme antibiotikum motstand er ikke unikt for P. aeruginosa, som ligner relasjoner har blitt funnet i S. aureus og H. influenzae stammer isolert fra CF-pasienter .
EN CF-pasient er normalt kolonisert av en enkelt stamme av P. aeruginosa som vedvarer gjennom deres levetid ., Det vert luftveier representerer en microenvironment hvor ulike selektive press kan handle på den belastning som fører til avvik og fiksering av fenotypiske varianter. I mange tilfeller, disse roman phenotypes er på grunn av tap-av-funksjon mutasjoner som bidrar til å være vert for tilpasning og støtte kronisk infeksjon. For eksempel, mutasjoner som demper virulence gener kan forskyve patologiske konsekvenser av infeksjonen bort fra akutt skade og mot kroniske effekter som støtter utholdenhet., Den genetiske underlaget for en slik tilpasning har vært timelig preget bruke hel-genom-sekvensering . Sammenligning av genomer fra tidlig og sent isolater avdekket opphopning av opp til 68 mutasjoner som i mange tilfeller resultert i tap av funksjon av virulence gener, noe som representerer en virulence tilpasning som favoriserte langsiktig kolonisering (som nevnt tidligere). Ikke overraskende, etterfølgende arbeidet har vist at denne raske genetiske tilpasninger ble drevet av en mutator fenotypen .,
Dette eksemplet viser at constitutively høyere mutasjon priser og tilsvarende økning i genom instabilitet kan være gunstig for en organisme som det står overfor utfordringer i sitt miljø, men slik genom flyt kan også ha skadelig utfall for organismen. For eksempel, tilpasset stammer av P. aeruginosa isolert fra CF-pasienter har redusert overførbarhet . Videre, mens nonmutator stammer som kan spre seg mellom CF-pasienter, spredning av mutator stammer har ikke blitt observert ., Til slutt, svært tilpasset mutator isolater har redusert kondisjon og virulence i andre miljøer . Dermed er det klart at, faktisk, genom instabilitet indusert av mutator genotypes resulterer i en slepebåten-of-war mellom potensielt gunstige og ugunstige utfall, som er sortert ut basert på selektive press på miljøet. Mens denne konsekvens av genom instabilitet er spesielt vist i dette eksemplet, er det sannsynlig representerer en universell egenskap av organismer med forhøyet mutasjon priser.