3 Instabilității Genomului din Cauza Stabil Mutator Genotipuri
Constitutiv mutator bacterii au un risc crescut de mutație spontană rata cauzate de defecte ale genelor codificare repararea ADN-ului factori sau alte componente ale genomului de monitorizare și de protecție caile care duce la o destabilizare a genomului. Dintre căile tipice de reparare a ADN-ului (vezi capitolul 4), majoritatea fenotipurilor mutante puternice se datorează mutațiilor pe calea MMR. Calea MMR este extrem de importantă pentru menținerea stabilității genomului în E., coli, deoarece inactivarea căii prin mutații în oricare dintre genele centrale poate crește ratele de mutație între 100 și 200 de ori . Această creștere mare în rata de mutație spontană în MMR-defecte tulpini reflectă diversitatea tipurilor de daune recunoscute și reparate de către aceasta cale, inclusiv incorect asociat baze (mai ales din cauza misincorporation și corectură eșec în timpul replicarea ADN-ului) și mici inserții și deleții. Într-un experiment de acumulare a mutațiilor din 2012 , un e cu deficit de MMR., tulpina coli a avut o creștere de 138 ori a numărului de substituții de perechi de bază comparativ cu tulpina izogenă de tip sălbatic. Tulpina defectă MMR a avut, de asemenea, o creștere de 288 de ori a formării inserțiilor și ștergerilor, de obicei ≤4 nucleotide.o funcție interesantă și uneori subapreciată a căii MMR este de a suprima recombinarea necorespunzătoare . E., recombinarea omologă coli (HR) mediată de RecA și complexul RecBCD necesită o omologie perfectă sau aproape perfectă în secvențele de recombinare ADN; cu toate acestea, nivelul de omologie necesar pentru recombinarea productivă este relaxat în tulpinile cu defecte MMR. De exemplu, transducția între Salmonella enterica serotip Typhimurium și E. coli este limitată de către destinatar MMR sistem, care detectează și perturba formarea de heteroduplexes prin recunoașterea secvență de divergență ., După cum arată acest exemplu, reglementarea recombinării prin MMR poate acționa ca o barieră în calea HGT între speciile strâns legate, servind astfel un rol suplimentar în conservarea integrității genomului.fenotipurile mutatoare nu se datorează exclusiv defectelor din calea MMR. Un factor auxiliar cheie pentru MMR este barajul ADN adenin metilază . Această proteină este necesară pentru metilarea ADN-ului care facilitează discernământul în timpul MMR și are alte roluri importante în replicarea ADN și reglarea genelor., Inactivarea dam sau drg (gene care înlocuiesc dam) în Pasteurella multocida conduce la fenotipuri mutante robuste . Mutații în dnaQ, care codifică corectură (epsilon) subunitatea de replicație a ADN polimeraza III, provoca creșteri remarcabile în rata de mutație datorate unor defecte de îndepărtare de misincorporated nucleotide în timpul replicarea ADN-ului. Mutații în genele care codifică MERGE sistemul (mutM, mutY, și mutT), care reparațiile oxidat guanines (8-oxodG), conduce la mediu spre ridicat mutator fenotipuri (de exemplu, a se vedea Ref. )., Alte gene mutatoare codifică proteine care previn deteriorarea ADN-ului prin detoxifiere, mai degrabă decât repararea daunelor, cum ar fi oxyR și sodA .
Mutator tulpini sunt estimate a fi de până la aproximativ 1% naturale, E. coli populației, și mutator fenotipuri apar în ambele comensale și patogene tulpini . Mutatorii constituenți reprezintă o provocare puternică pentru domeniul medical, deoarece tind să fie obișnuiți în bolile infecțioase, cum ar fi fibroza chistică (discutată aici), infecțiile tractului urinar și bolile legate de alimente ., Această secțiune se concentrează pe unul dintre cele mai bine caracterizate exemple ale impactului tulpinilor mutatoare asupra practicii clinice: colonizarea Pseudomonas aeruginosa a pacienților cu fibroză chistică (FC).
CF este cauzată de mutații ale genei care codifică regulatorul conductanței transmembranare CF (CFTR) și este cea mai frecventă boală genetică autozomal-recesivă la caucazieni . Efectele fizice ale FC conduc la o predispoziție puternică pentru infecțiile respiratorii cronice( CRIs), care sunt principala cauză a morbidității ridicate și a mortalității premature la pacienții cu FC ., În timp ce infecțiile cu o serie de bacterii pot apărea la pacienții cu FC, inclusiv Haemophilus influenzae și Staphylococcus aureus, infecția cu P. aeruginosa este cea mai frecventă . Destul de remarcabil, un studiu timpuriu a arătat că până la 20% din izolatele de la 37% dintre pacienții examinați au fost colonizați cronic de tulpini mutatoare de P. aeruginosa . În schimb, pacienții care prezintă infecții acute nu au prezentat o astfel de îmbogățire pentru mutatori . Aceste observații sugerează că mutatorii au fost asociați în special cu CRIs., Acest concept a fost confirmat de un studiu ulterior care a arătat că proporția izolatelor mutatoare a crescut de la 0% la 65% după 20 de ani de infecție cronică . Baza genetică a acestor fenotipuri mutatoare s-a datorat, după cum era de așteptat, în mare parte defectelor din calea MMR, deoarece între 60% și 90% din izolatele mutatoare au avut mutații în genele MMR, cel mai frecvent mutS .o consecință intens studiată a CRI de către tulpinile mutatoare ale P. aeruginosa este dezvoltarea rezistenței la antibiotice. După mulți ani de tratament agresiv cu antibiotice, rezistența la antibiotice este mai frecventă în P., tulpinile de aeruginosa izolate de la pacienții cu FC cu infecție cronică comparativ cu tulpinile izolate de infecții acute . Oliver și colab. (2000) a caracterizat mai întâi prevalența tulpinilor mutatoare în rândul tulpinilor P. aeruginosa rezistente la antibiotice izolate de la pacienții cu FC. Ei au demonstrat că mutator tulpini au fost mai frecvent rezistente la opt frecvent utilizate terapeutica împotriva infecției cu P. aeruginosa: până la 40% din mutators au fost rezistente în comparație cu doar 5% din nonmutators. Această corelație între fenotipurile mutante și rezistența la antibiotice a fost ulterior coroborată prin studii de urmărire ., Într-un studiu deosebit de interesant, Ferroni et al. (2009) a demonstrat că tulpinile mutatoare au dobândit o rezistență suplimentară la antibiotice mai rapid decât tulpinile nonmutatoare. Rolul genotipurilor mutante în promovarea rezistenței la antibiotice nu este unic pentru P. aeruginosa, deoarece relații similare au fost găsite în tulpinile S. aureus și H. influenzae izolate de la pacienții cu FC .
un pacient cu FC este în mod normal colonizat de o singură tulpină de P. aeruginosa care persistă pe tot parcursul vieții ., Tractul respirator gazdă reprezintă un micromediu în care diferite presiuni selective pot acționa asupra tulpinii care duce la divergența și fixarea variantelor fenotipice. În multe cazuri, aceste fenotipuri noi se datorează mutațiilor pierderii funcției care contribuie la adaptarea gazdei și susțin infecția cronică. De exemplu, mutațiile care atenuează genele de virulență pot schimba rezultatele patologice ale infecției de la deteriorarea acută și spre efectele cronice care susțin persistența., Baza genetică a unei astfel de adaptări a fost caracterizată temporal folosind secvențierea întregului genom . Comparația genomilor din izolatele timpurii și târzii a evidențiat acumularea a până la 68 de mutații care, în multe cazuri, au dus la pierderea funcției genelor de virulență, reprezentând o adaptare a virulenței care a favorizat colonizarea pe termen lung (așa cum am menționat anterior). Nu este surprinzător că lucrările ulterioare au demonstrat că această adaptare genetică rapidă a fost determinată de un fenotip mutator .,acest exemplu demonstrează că ratele de mutație constituțional mai mari și creșterea corespunzătoare a instabilității genomului pot fi benefice pentru un organism, deoarece se confruntă cu provocările mediului său; cu toate acestea, o astfel de fluiditate genomică poate avea, de asemenea, rezultate dăunătoare pentru organism. De exemplu, tulpinile adaptate de P. aeruginosa izolate de la pacienții cu FC au redus transmisibilitatea . În plus, în timp ce tulpinile nonmutatoare se pot răspândi între pacienții cu FC, răspândirea tulpinilor mutatoare nu a fost observată ., În cele din urmă, izolatele mutatoare foarte adaptate au scăzut fitnessul și virulența în medii secundare . Astfel, este clar că, de fapt, instabilitatea genomului indusă de genotipurile mutatoare are ca rezultat un război între rezultate potențial benefice și dăunătoare, care sunt sortate pe baza presiunilor selective ale mediului. În timp ce această consecință a instabilității genomului este demonstrată în mod specific în acest exemplu, probabil reprezintă un atribut universal al organismelor cu rate ridicate de mutație.