3 instabiliteit van het genoom als gevolg van stabiele Mutatiegenotypen
constitutieve mutatiebacteriën hebben een verhoogde spontane mutatiesnelheid veroorzaakt door defecten in genen die coderen voor DNA-herstelfactoren of andere componenten van andere genoommonitoring en beschermende routes die leiden tot destabilisatie van het genoom. Van de typische DNA-herstelwegen (zie hoofdstuk 4) zijn de meeste sterke mutatiefenotypen het gevolg van mutaties in de MMR-route. De weg MMR is uiterst belangrijk voor het handhaven van genoomstabiliteit in E., coli, aangezien inactivatie van de route door mutaties in een van de centrale genen mutatiesnelheden tussen 100 en 200 – voudig kan verhogen . Deze grote toename van het spontane mutatiepercentage in MMR-defecte stammen weerspiegelt de diversiteit in de soorten schade die door deze weg worden herkend en hersteld, met inbegrip van onjuist gepaarde basen (vooral als gevolg van misincorporatie en proeflezen mislukking tijdens DNA-replicatie) en kleine inserties en verwijderingen. In een 2012 mutatie accumulatie experiment, een MMR-deficiënte E., coli stam had een 138-voudige toename van het aantal base-pair substituties in vergelijking met de isogene wild-type stam. De MMR-defecte stam had ook een 288-voudige toename in de vorming van inserties en deleties, typisch ≤4 nucleotiden.
een interessante en soms ondergewaardeerde functie van de MMR-route is het onderdrukken van onjuiste recombinatie . E., coli homologe recombinatie (HR)-bemiddeld door RecA en het RecBCD complex vereist perfecte of bijna perfecte homologie in de recombinerende DNA-sequenties; nochtans, is het niveau van homologie vereist voor productieve recombinatie ontspannen in MMR-defecte spanningen. Bijvoorbeeld, wordt de transductie tussen Salmonella enterica serovar Typhimurium en E. coli beperkt door het MMR-systeem van de ontvanger, dat de vorming van heteroduplexen ontdekt en verstoort door opeenvolgingsdivergentie te erkennen ., Aangezien dit voorbeeld toont, kan de verordening van nieuwe combinatie door MMR als barrière aan HGT tussen nauw verwante species dienst doen, waarbij een extra rol in het bewaren van genoomintegriteit wordt gediend.
Mutatorfenotypen zijn niet uitsluitend het gevolg van defecten in de MMR-pathway. Een belangrijke bijkomende factor aan MMR is de dam van DNA adeninemethylase . Deze proteã ne wordt vereist voor methylation van DNA die bundel onderscheidingsvermogen tijdens MMR vergemakkelijkt en andere belangrijke rollen in de replicatie van DNA en genverordening heeft., Inactivatie van dam of drg (dam-replacing genes) in Pasteurella multocida leidt tot robuuste mutator fenotypen . Mutaties in dnaQ, dat codeert voor de proeflezing (Epsilon) subeenheid van de replicatieve DNA-polymerase III, veroorzaken opmerkelijke verhogingen van de mutatiesnelheid als gevolg van gebrekkige verwijdering van misincorporeerde nucleotiden tijdens de DNA-replicatie. Mutaties in genen die coderen voor het GO-systeem( mutM, mutY en mutT), die geoxideerde guanines (8-oxodG) herstelt, leiden tot middelhoge tot hoge mutator fenotypen (bijv. zie Ref. )., Andere mutatorgenen coderen proteã nen die DNA-schade via ontgifting verhinderen, eerder dan reparatieschade, zoals oxyR en sodA .
Mutatorstammen maken naar schatting tot ongeveer 1% van de natuurlijke E. coli-populatie uit en mutatorfenotypen komen voor in zowel commensale als pathogene stammen . Constitutieve mutatoren vormen een krachtige uitdaging voor het medische veld omdat ze vaak voorkomen bij infectieziekten, zoals cystische fibrose (hier besproken), urineweginfecties en voedselgerelateerde ziekten ., Deze sectie richt zich op een van de best gekarakteriseerde voorbeelden van de impact van mutatorstammen op de klinische praktijk: Pseudomonas aeruginosa kolonisatie van cystische fibrose (CF) patiënten.
CF wordt veroorzaakt door mutaties in het gen dat codeert voor de CF transmembrane conductance regulator (CFTR) en is de meest voorkomende autosomaal-recessieve genetische ziekten bij blanken . De fysieke effecten van CF leiden tot een sterke predispositie voor chronische respiratoire infecties (Cris), die de belangrijkste oorzaak zijn van hoge morbiditeit en voortijdige mortaliteit bij CF patiënten ., Terwijl infecties met een reeks bacteriën kunnen voorkomen bij CF patiënten, waaronder Haemophilus influenzae en Staphylococcus aureus, P. aeruginosa infectie is de meest voorkomende . Opmerkelijk genoeg bleek uit een vroege studie dat tot 20% van de isolaten van 37% van de onderzochte patiënten chronisch gekoloniseerd waren door mutatorstammen van P. aeruginosa . Patiënten met acute infecties vertoonden daarentegen geen dergelijke verrijking voor mutatoren . Deze waarnemingen suggereren dat mutatoren vooral geassocieerd werden met CRIs., Dit concept werd bevestigd door een latere studie die aantoonde dat het aandeel mutatie-isolaten steeg van 0% tot 65% na 20 jaar chronische infectie . De genetische basis voor deze mutator fenotypen was, zoals te verwachten was, grotendeels te wijten aan defecten in de MMR-route, aangezien tussen 60% en 90% van de mutatorisolaten mutaties in MMR-genen had, meestal mutS .
een intensief bestudeerd gevolg van CRI door mutatorstammen van P. aeruginosa is de ontwikkeling van antibioticaresistentie. Na vele jaren van agressieve antibioticabehandeling komt antibioticaresistentie vaker voor bij P., aeruginosa stammen geïsoleerd van chronisch geïnfecteerde CF patiënten vergeleken met isolaten van acute infecties . Oliver et al. (2000) eerste karakteriseerde de prevalentie van mutatorstammen onder antibioticaresistente P. aeruginosa stammen geïsoleerd uit CF patiënten. Zij toonden aan dat mutatorstammen vaker resistent waren tegen acht veelgebruikte geneesmiddelen tegen P. aeruginosa-infectie: tot 40% van de mutatoren was resistent tegen slechts 5% van de non-mutatoren. Deze correlatie tussen mutatiefenotypen en antibioticaresistentie werd vervolgens bevestigd door follow-upstudies ., In een bijzonder interessante studie, Ferroni et al. (2009) toonde aan dat mutatorstammen sneller bijkomende antibioticaresistentie verwierven dan niet-mutatorstammen. De rol van mutator genotypes in het bevorderen van antibioticaresistentie is niet uniek voor P. aeruginosa, aangezien vergelijkbare relaties zijn gevonden in S. aureus en H. influenzae stammen geïsoleerd uit CF patiënten .
een CF-patiënt wordt normaal gekoloniseerd door een enkele stam van P. aeruginosa die gedurende zijn hele leven aanhoudt ., De gastheerluchtwegen vertegenwoordigen een micro-omgeving waarin verschillende selectieve druk op de spanning kan werken die leidt tot de divergentie en fixatie van fenotypische varianten. In veel gevallen, zijn deze nieuwe fenotypes toe te schrijven aan loss-of-function mutaties die aan gastheeradaptatie bijdragen en chronische besmetting ondersteunen. Bijvoorbeeld, kunnen de veranderingen die virulentiegenen verzwakken de pathologische resultaten van de besmetting van scherpe schade en naar chronische gevolgen verschuiven die persistentie ondersteunen., Het genetische onderbouwing van dergelijke aanpassing is tijdelijk gekarakteriseerd gebruikend geheel-genoom rangschikkend . Vergelijking van de genomen van vroege en late isolaten onthulde de accumulatie van maximaal 68 mutaties die, in veel gevallen, resulteerde in het verlies van functie van virulentiegenen, die een virulentie adaptatie vertegenwoordigen die kolonisatie op lange termijn beviel (zoals eerder vermeld). Niet verrassend, later onderzoek toonde aan dat deze snelle genetische aanpassing werd gedreven door een mutator fenotype .,
dit voorbeeld toont aan dat constitutief hogere mutatiesnelheden en de overeenkomstige toename van de instabiliteit van het genoom gunstig kunnen zijn voor een organisme omdat het geconfronteerd wordt met de uitdagingen van zijn omgeving; een dergelijke genomische vloeibaarheid kan echter ook schadelijke gevolgen hebben voor het organisme. Bijvoorbeeld, aangepaste stammen van P. aeruginosa geïsoleerd uit CF patiënten hebben verminderde overdraagbaarheid . Verder, terwijl non-mutatorstammen zich kunnen verspreiden tussen CF patiënten, is de verspreiding van mutatorstammen niet waargenomen ., Tot slot hebben zeer aangepaste mutator isolaten verminderde fitness en virulentie in secundaire omgevingen . Zo is het duidelijk dat, in feite, de instabiliteit van het genoom veroorzaakt door mutator genotypes resulteert in een touwtrekken tussen potentieel voordelige en schadelijke resultaten, die worden gesorteerd op basis van de selectieve druk van het milieu. Terwijl dit gevolg van de instabiliteit van het genoom specifiek in dit voorbeeld wordt aangetoond, vertegenwoordigt het waarschijnlijk een universeel attribuut van organismen met opgeheven veranderingstarieven.