3 niestabilność genomu ze względu na stabilne genotypy mutatorów
konstytutywne bakterie mutacyjne mają zwiększoną spontaniczną częstość mutacji spowodowaną defektami genów kodujących czynniki naprawy DNA lub inne składniki innych ścieżek monitorowania i ochrony genomu, które prowadzą do destabilizacji genomu. Spośród typowych szlaków naprawy DNA (patrz rozdział 4), większość silnych fenotypów mutatorów wynika z mutacji w szlaku MMR. Szlak MMR jest niezwykle ważny dla utrzymania stabilności genomu w E., coli, ponieważ inaktywacja szlaku przez mutacje w którymkolwiek z centralnych genów może zwiększyć częstość mutacji między 100-a 200-krotnie . Ten duży wzrost spontanicznej częstości mutacji u szczepów wadliwych MMR odzwierciedla różnorodność typów uszkodzeń rozpoznawanych i naprawianych przez ten szlak, w tym nieprawidłowo sparowanych zasad (zwłaszcza z powodu błędnej organizacji i błędów korekty podczas replikacji DNA) oraz małych wstawek i delecji. W eksperymencie akumulacji mutacji z 2012 r., niedobór MMR E., szczep coli wykazywał 138-krotne zwiększenie liczby podstawienia pary zasad w porównaniu do szczepu izogenicznego typu dzikiego. Szczep MMR-defective miał również 288-krotny wzrost w tworzeniu się insercji i delecji, zazwyczaj ≤4 nukleotydy.
ciekawą, a czasem niedocenianą funkcją szlaku MMR jest tłumienie niewłaściwej rekombinacji . E., rekombinacja homologiczna coli (HR) – za pośrednictwem Reca i kompleksu RecBCD wymaga doskonałej lub prawie doskonałej homologii w rekombinujących sekwencjach DNA; jednak poziom homologii wymagany do produktywnej rekombinacji jest złagodzony w szczepach wadliwych MMR. Na przykład, transdukcja między Salmonella enterica serovar Typhimurium i E. coli jest ograniczona przez system MMR biorcy, który wykrywa i zakłóca tworzenie heterodupleksów poprzez rozpoznanie rozbieżności sekwencji ., Jak pokazuje ten przykład, Regulacja rekombinacji przez MMR może działać jako bariera dla HGT między blisko spokrewnionymi gatunkami, służąc w ten sposób dodatkowej roli w zachowaniu integralności genomu.
fenotypy mutatorów nie wynikają wyłącznie z wad szlaku MMR. Kluczowym czynnikiem pomocniczym dla MMR jest Tama metylazy ADENINOWEJ DNA . Białko to jest wymagane do metylacji DNA, która ułatwia rozróżnianie nici podczas MMR i ma inne ważne role w replikacji DNA i regulacji genów., Inaktywacja dam lub drg (genów zastępujących dam) u Pasteurella multocida prowadzi do powstania silnych fenotypów mutatorów . Mutacje w dnaQ, która koduje podjednostkę proofreading (epsilon) replikacyjnej polimerazy DNA III, powodują znaczny wzrost szybkości mutacji z powodu wadliwego usuwania błędnych nukleotydów podczas replikacji DNA. Mutacje w genach kodujących System GO (mutM, mutY i mutT), który naprawia utlenione guaniny (8-oxodG), prowadzą do średnich i wysokich fenotypów mutatorów (np. )., Inne geny mutatorów kodują białka, które zapobiegają uszkodzeniom DNA poprzez detoksykację, a nie naprawiają uszkodzenia, takie jak oxyR i sodA .
szczepy mutatorów stanowią około 1% naturalnej populacji E. coli, a fenotypy mutatorów występują zarówno u szczepów komensalnych, jak i patogennych . Konstytutywne mutatory stanowią potężne wyzwanie dla dziedziny medycyny, ponieważ wydają się być powszechne w chorobach zakaźnych, takich jak mukowiscydoza (omówione tutaj), infekcje dróg moczowych i choroby związane z żywnością ., Sekcja ta skupia się na jednym z najlepiej scharakteryzowanych przykładów wpływu szczepów mutatorów na praktykę kliniczną: kolonizacji Pseudomonas aeruginosa pacjentów z mukowiscydozą (CF).
CF jest spowodowany mutacjami w genie kodującym regulator przewodnictwa transmembranowego CF (CFTR) i jest najczęstszą autosomalnie recesywną chorobą genetyczną u rasy kaukaskiej . Fizyczne działanie CF prowadzi do silnej predyspozycji do przewlekłych zakażeń układu oddechowego (Cris), które są główną przyczyną wysokiej zachorowalności i przedwczesnej śmiertelności u pacjentów z CF ., Podczas gdy u pacjentów z CF mogą wystąpić zakażenia wieloma bakteriami, w tym Haemophilus influenzae i Staphylococcus aureus, zakażenie P. aeruginosa jest najczęstsze . Dość niezwykłe, wczesne badania wykazały, że do 20% izolatów od 37% badanych pacjentów zostało chronicznie skolonizowanych przez mutatorowe szczepy P. aeruginosa . Natomiast u pacjentów z ostrymi infekcjami nie stwierdzono takiego wzbogacenia dla mutatorów . Obserwacje te sugerują, że mutatory były szczególnie związane z CRIs., Koncepcja ta została potwierdzona przez późniejsze badania, które wykazały, że odsetek izolatów mutatorów wzrósł z 0% do 65% po 20 latach przewlekłej infekcji . Genetyczna podstawa tych fenotypów mutatorów była, jak można się spodziewać, w dużej mierze spowodowana wadami szlaku MMR, ponieważ między 60% a 90% izolatów mutatorów miało mutacje w genach MMR, najczęściej mutach .
jedną z intensywnie badanych konsekwencji CRI przez mutatorowe szczepy P. aeruginosa jest rozwój oporności na antybiotyki. Po wielu latach agresywnego leczenia antybiotykami, oporność na antybiotyki jest bardziej powszechna w P., szczepy aeruginosa wyizolowane od przewlekle zakażonych pacjentów z CF w porównaniu do wyizolowanych z ostrych zakażeń . Oliver i inni (2000) po raz pierwszy scharakteryzował częstość występowania szczepów mutatorów wśród opornych na antybiotyki szczepów P. aeruginosa wyizolowanych od pacjentów z CF. Wykazano, że szczepy mutatorów były częściej oporne na osiem powszechnie stosowanych leków przeciw zakażeniu P. aeruginosa: do 40% mutatorów było opornych w porównaniu do zaledwie 5% mutatorów. Korelacja między fenotypami mutatorów a opornością na antybiotyki została następnie potwierdzona w badaniach uzupełniających ., W jednym ze szczególnie interesujących badań, Ferroni et al. (2009) wykazał, że szczepy mutatorów nabywały dodatkową oporność na antybiotyki szybciej niż szczepy niemutatorowe. Rola genotypów mutatorów w promowaniu oporności na antybiotyki nie jest unikalna dla P. aeruginosa, ponieważ podobne związki stwierdzono u szczepów S. aureus i H. influenzae wyizolowanych z pacjentów z CF .
pacjent z CF jest zwykle skolonizowany przez pojedynczy szczep P. aeruginosa, który utrzymuje się przez całe życie ., Drogi oddechowe gospodarza stanowią mikrośrodowisko, w którym różne presje selektywne mogą działać na szczep, prowadząc do rozbieżności i utrwalenia wariantów fenotypowych. W wielu przypadkach te nowe fenotypy są spowodowane mutacjami utraty funkcji, które przyczyniają się do adaptacji gospodarza i wspierają przewlekłe infekcje. Na przykład mutacje, które osłabiają geny zjadliwości, mogą przesunąć patologiczne wyniki infekcji z dala od ostrych uszkodzeń i w kierunku przewlekłych skutków, które wspierają trwałość., Genetyczne podstawy takiej adaptacji zostały czasowo scharakteryzowane za pomocą sekwencjonowania całego genomu . Porównanie genomów z wczesnych i późnych izolatów ujawniło nagromadzenie do 68 mutacji, które w wielu przypadkach prowadziły do utraty funkcji genów zjadliwości, reprezentujących adaptację zjadliwości, która sprzyjała długoterminowej kolonizacji (jak wspomniano wcześniej). Nic dziwnego, że późniejsze prace wykazały, że ta szybka adaptacja genetyczna była napędzana przez fenotyp mutatora .,
Ten przykład pokazuje, że konstytutywnie wyższe wskaźniki mutacji i odpowiadający im wzrost niestabilności genomu mogą być korzystne dla organizmu, ponieważ staje on w obliczu wyzwań swojego środowiska; jednak taka płynność genomowa może również mieć szkodliwe skutki dla organizmu. Na przykład zaadaptowane szczepy P. aeruginosa wyizolowane od pacjentów z CF mają zmniejszoną zdolność przenoszenia . Ponadto, podczas gdy szczepy niemutatorowe mogą rozprzestrzeniać się między pacjentami z mukowiscydozą, nie zaobserwowano rozprzestrzeniania się szczepów mutatorowych ., Wreszcie, wysoce przystosowane Izolaty mutatorów zmniejszyły sprawność i zjadliwość w środowiskach wtórnych . Jest więc jasne, że niestabilność genomu wywołana genotypami mutatorów powoduje przeciąganie liny pomiędzy potencjalnie korzystnymi i szkodliwymi skutkami, które są sortowane na podstawie selektywnej presji środowiska. Chociaż ta konsekwencja niestabilności genomu jest wyraźnie pokazana w tym przykładzie, prawdopodobnie reprezentuje uniwersalną cechę organizmów z podwyższonym wskaźnikiem mutacji.