3 genom instabilitet på grund av stabila mutator genotyper
konstitutiva mutatorbakterier har en ökad spontan mutationshastighet orsakad av defekter i gener som kodar för DNA reparationsfaktorer eller andra komponenter i andra genom övervakning och skyddande vägar som leder till destabilisering av genomet. Av de typiska DNA – reparationsvägarna (se Kapitel 4) beror majoriteten av starka mutatorfenotyper på mutationer i MMR-vägen. MMR-vägen är extremt viktig för att upprätthålla genomstabilitet i E., som inaktivering av vägen genom mutationer i någon av de centrala generna kan öka mutationsfrekvensen mellan 100-och 200-faldigt . Denna stora ökning av den spontana mutationshastigheten i MMR-defekta stammar återspeglar mångfalden i de typer av skador som erkänns och repareras av denna väg, inklusive felaktigt Parade baser (särskilt på grund av felaktig inkorporering och korrekturläsning fel under DNA-replikering) och små Infogningar och deletioner. I ett mutationsackumuleringsexperiment 2012, ett MMR-bristfälligt E., coli-stammen hade en 138-faldig ökning av antalet basparsubstitutioner jämfört med den isogena vildtypsstammen. Den MMR-defekta stammen hade också en 288-faldig ökning av bildandet av Infogningar och deletioner, typiskt ≤4 nukleotider.
en intressant och ibland underapprecierad funktion av MMR-vägen är att undertrycka felaktig rekombination . E., coli homolog rekombination (HR)-medierad av RecA och RecBCD-komplexet kräver perfekt eller nästan perfekt homologi i rekombination DNA-sekvenser; emellertid, den nivå av homologi som krävs för produktiv rekombination är avslappnad i MMR-defekta stammar. Till exempel är transduktion mellan Salmonella enterica serovar Typhimurium och E. coli begränsad av mottagarens MMR-system, vilket detekterar och stör bildandet av heteroduplexer genom att erkänna sekvensdivergens ., Som detta exempel visar kan regleringen av rekombination genom MMR fungera som ett hinder för HGT mellan närbesläktade arter, vilket tjänar en ytterligare roll för att bevara genomets integritet.
mutatorfenotyper beror inte enbart på defekter i MMR-banan. En viktig tilläggsfaktor till MMR är DNA-adeninmetylasdammen . Detta protein krävs för DNA-metylering som underlättar strand urskiljning under MMR och har andra viktiga roller i DNA-replikation och genreglering., Inaktivering av dam eller drg (dam-ersättande gener) i Pasteurella multocida leder till robusta mutatorfenotyper . Mutationer i dnaQ, som kodar för den korrekturläsande (epsilon) subenheten hos den replikativa DNA-polymerasen III, orsakar anmärkningsvärda ökningar i mutationshastigheten på grund av defekt avlägsnande av misinkorporerade nukleotider under DNA-replikation. Mutationer i gener som kodar för GO-systemet (mutM, mutY och mutT), som reparerar oxiderade guaniner (8-oxodG), leder till medelhöga till höga mutatorfenotyper (t.ex. se Ref. )., Andra mutatorgener kodar proteiner som förhindrar DNA-skador via avgiftning, snarare än att reparera skador, såsom oxyR och läsk .
Mutatorstammar uppskattas utgöra cirka 1% av den naturliga E. coli-populationen, och mutatorfenotyper förekommer i både commensala och patogena stammar . Konstitutiva mutatorer utgör en kraftfull utmaning för det medicinska området eftersom de tenderar att vara vanliga i infektionssjukdomar, såsom cystisk fibros (diskuteras här), urinvägsinfektioner och matrelaterade sjukdomar ., Detta avsnitt fokuserar på ett av de bäst karaktäriserade exemplen på effekterna av mutatorstammar på klinisk praxis: Pseudomonas aeruginosa kolonisering av cystisk fibros (CF) patienter.
CF orsakas av mutationer i genen som kodar för CF transmembrane conductance regulator (CFTR) och är den vanligaste autosomal-recessiva genetiska sjukdomar hos kaukasier . De fysiska effekterna av CF leder till en stark predisposition för kroniska luftvägsinfektioner (CRIs), som är den främsta orsaken till hög sjuklighet och för tidig dödlighet hos CF-patienter ., Medan infektioner med en rad bakterier kan förekomma hos CF-patienter, inklusive Haemophilus influenzae och Staphylococcus aureus, är P. aeruginosa-infektion den vanligaste . Ganska anmärkningsvärt visade en tidig studie att upp till 20% av isolaten från 37% av de undersökta patienterna kroniskt koloniserades av mutatorstammar av P. aeruginosa . Däremot visade patienter som presenterade akuta infektioner inte sådan anrikning för mutatorer . Dessa observationer tyder på att mutatorer var särskilt associerade med CRIs., Detta koncept bekräftades av en senare studie som visade att andelen mutatorisolat ökade från 0% till 65% efter 20 års kronisk infektion . Den genetiska grunden för dessa mutatorfenotyper var, som man kan förvänta sig, till stor del på grund av defekter i MMR-vägen, eftersom mellan 60% och 90% av mutatorns isolat hade mutationer i MMR-gener, oftast mutar .
en intensivt studerad följd av CRI av mutatorstammar av P. aeruginosa är utvecklingen av antibiotikaresistens. Efter många års aggressiv antibiotikabehandling är antibiotikaresistens vanligare hos P., aeruginosa-stammar isolerade från kroniskt infekterade CF-patienter jämfört med isolat från akuta infektioner . Oliver et al. (2000) karakteriserade först förekomsten av mutatorstammar bland antibiotikaresistenta P. aeruginosa-stammar isolerade från CF-patienter. De visade att mutatorstammar oftare var resistenta mot åtta vanliga terapeutiker mot P. aeruginosa-infektion: upp till 40% av mutatorerna var resistenta jämfört med endast 5% av icke-mutatorerna. Denna korrelation mellan mutatorfenotyper och antibiotikaresistens bekräftades därefter genom uppföljningsstudier ., I en särskilt intressant studie, Ferroni et al. (2009) visade att mutatorstammar förvärvade ytterligare antibiotikaresistens snabbare än icke-mutatorstammar. Mutatorgenotypernas roll för att främja antibiotikaresistens är inte unik för P. aeruginosa, eftersom liknande relationer har hittats i S. aureus och H. influenzae-stammar isolerade från CF-patienter .
en CF-patient koloniseras normalt av en enda stam av P. aeruginosa som kvarstår genom sin livstid ., Värdluftvägarna representerar en mikromiljö där olika selektiva tryck kan verka på stammen som leder till divergens och fixering av fenotypiska varianter. I många fall är dessa nya fenotyper på grund av förlust av funktion mutationer som bidrar till värd anpassning och stödja kronisk infektion. Till exempel kan mutationer som dämpar virulens gener flytta de patologiska resultaten av infektionen bort från akut skada och mot kroniska effekter som stöder uthållighet., Den genetiska grunden för sådan anpassning har temporärt karakteriserats med hjälp av helgenomsekvensering . Jämförelse av genomerna från tidiga och sena isolat avslöjade ackumuleringen av upp till 68 mutationer som i många fall resulterade i förlust av funktionen av virulensgener, som representerar en virulensanpassning som gynnade långsiktig kolonisering (som tidigare nämnts). Inte överraskande visade efterföljande arbete att denna snabba genetiska anpassning drevs av en mutatorfenotyp .,
detta exempel visar att konstitutionellt högre mutationsfrekvenser och motsvarande ökning av genominstabilitet kan vara till nytta för en organism eftersom den står inför utmaningarna i sin miljö.sådan genomisk fluiditet kan emellertid också ha skadliga resultat för organismen. Till exempel anpassade stammar av P. aeruginosa isolerade från CF-patienter har minskad överförbarhet . Vidare, medan icke-mutatorstammar kan spridas mellan CF-patienter, har spridningen av mutatorstammar inte observerats ., Slutligen har höganpassade mutatorisolat minskat kondition och virulens i sekundära miljöer . Det är således uppenbart att den instabilitet i genomet som orsakas av mutatorgenotyper faktiskt resulterar i en dragkamp mellan potentiellt fördelaktiga och skadliga resultat, vilka sorteras ut baserat på miljöns selektiva tryck. Även om denna konsekvens av genominstabilitet specifikt demonstreras i detta exempel, representerar det sannolikt en universell egenskap hos organismer med förhöjda mutationsfrekvenser.