الطفرات البكتيرية والانتقاء

الطفرات هي تغيرات موروثة في تسلسل الحمض النووي (DNA)، وتنشأ في البكتيريا تلقائيًا أثناء النمو، بغض النظر عما إذا كان التغيير مفيدًا أم لا. عندما تفضل البيئة بعد ذلك الخلايا التي تحمل متغيرًا معينًا، يزيد الانتقاء من تكراره في المجتمع البكتيري، وهي الطريقة التي تتكيف بها البكتيريا، بما في ذلك اكتساب مقاومة للمضادات الحيوية.

Definition

الطفرة البكتيرية هي تغيير موروث في تسلسل جينوم البكتيريا؛ الانتقاء هو البقاء والتكاثر التفاضلي للخلايا وفقًا للسمات التي تمنحها أنماطها الجينية في بيئة معينة.

Scope

يغطي هذا الموضوع أصل وأنواع الطفرات البكتيرية، والأدلة الكلاسيكية على أن الطفرات موجودة مسبقًا وليست موجهة، وكيف يعمل الانتقاء على المجتمعات البكتيرية، والآليات التي تعدل معدل الطفرات. إنه نظرة عامة مرجعية للآليات الوراثية السكانية ولا يقدم تعليمات سريرية.

Core questions

• هل تنشأ الطفرات البكتيرية قبل، أم استجابةً لعامل انتقائي؟
• ما هي أنواع الطفرات التي تحدث، وما هي الآليات التي تولدها؟
• كيف يغير الانتقاء تكرار متغير في مجتمع بكتيري؟
• كيف يتم تنظيم معدل الطفرات، وهل يمكن أن يزيد الإجهاد منه؟

Key concepts

• الطفرة التلقائية
• الطفرات النقطية، والإدخالات، والحذف
• اختبار التقلبات
• الطفرة الموجودة مسبقًا مقابل الطفرة الموجهة
• الانتقاء الإيجابي والسلبي
• معدل الطفرات وسلالات المطفّرات
• الطفرة المستحثة بالإجهاد والتكيفية
• المواقع الاحتمالية وتغير الطور

Key theories

الطفرة العشوائية الموجودة مسبقًا (لوريا-ديلبروك)

أظهر تحليل التقلبات أن عدد الخلايا المقاومة يختلف اختلافًا كبيرًا بين المزارع المتوازية، وهو ما يُتوقع فقط إذا حدثت طفرات المقاومة عشوائيًا أثناء النمو قبل التعرض، وليس كاستجابة موجهة للعامل المنتقي.

Mechanisms

تنشأ الطفرات من أخطاء التضاعف، والتغيرات الكيميائية التلقائية في الحمض النووي (DNA)، وعمل العناصر المتنقلة، مما ينتج عنه استبدالات نقطية، وإدخالات، وحذف، وإعادة ترتيب. أثبت اختبار لوريا-ديلبروك للتقلبات أن هذه الطفرات تحدث عشوائيًا أثناء النمو، بشكل مستقل عن العامل المنتقي، بحيث يعمل الانتقاء على التباين الموجود بالفعل في المجتمع البكتيري. ثم يقوم الانتقاء بإثراء المتغيرات المفيدة وإزالة الضارة. إن توفر الطفرات ليس موحدًا: سلالات المطفّرات (mutator strains) ذات الإصلاح المعيب ترفع المعدل العام، وبعض المواقع الاحتمالية (contingency loci) ذات التكرارات التسلسلية البسيطة تتحور بتردد عالٍ للسماح بتغير الطور العكسي كما وصفه موكسون وزملاؤه، ويمكن أن تؤدي استجابات الإجهاد إلى ارتفاع مؤقت في الطفرات، وهي ظاهرة يراجعها روزنبرغ تحت مسمى الطفرة التكيفية. تعمل هذه العمليات معًا على تمكين المجتمعات البكتيرية من توليد وتثبيت التغيير الموروث.

Clinical relevance

الطفرة التلقائية التي يتبعها الانتقاء هي طريق أساسي لمقاومة مضادات الميكروبات، ويساهم تباين معدل الطفرات وتغير الطور في المثابرة والتهرب المناعي. يشرح هذا المدخل كيفية توليد التباين وانتقائه وليس دليلًا للعلاج.

History

حلت تجربة لوريا-ديلبروك عام 1943 سؤالًا قديمًا بإظهار أن الطفرات البكتيرية تلقائية وموجودة مسبقًا وليست مستحثة بالانتقاء، وهي نتيجة كُرّمت بحصة من جائزة نوبل وأساسية لعلم الوراثة السكانية البكتيرية. عمل لاحق على الأنماط الظاهرية للمطفّرات (mutator phenotypes)، والمواقع الاحتمالية (contingency loci)، والطفرات المستحثة بالإجهاد، والتي راجعها موكسون وروزنبرغ، صقل فهم كيفية تشكيل توفر الطفرات نفسها.

Debates

هل توجد آلية طفرة 'تكيفية' أو مستحثة بالإجهاد مميزة ومنظمة؟

تشير بعض التجارب إلى أن الإجهاد يمكن أن يرفع الطفرات مؤقتًا بطرق تزيد من فرصة التغيير المفيد، ولكن مدى توجيه هذا الأمر أو عموميته، وكيف يتناسب مع إطار الطفرة العشوائية، لا يزال محل نقاش.

Key figures

• Salvador Luria
• Max Delbruck
• Susan Rosenberg
• Richard Moxon

Seminal works

• luria-delbruck-1943
• rosenberg-2001
• moxon-2006

Frequently asked questions

هل تتحور البكتيريا استجابة للمضادات الحيوية؟

تُظهر الأدلة الكلاسيكية أن طفرات المقاومة تنشأ تلقائيًا أثناء النمو قبل مواجهة المضاد الحيوي؛ ثم يقوم المضاد الحيوي بانتقاء الخلايا المقاومة بالفعل بدلاً من التسبب في الطفرة المحددة.

ما هي سلالة المطفّرات (mutator strain)؟

سلالة المطفّرات (mutator strain) لديها معدل طفرات أعلى من المعتاد، وعادة ما يكون ذلك بسبب خلل في وظيفة إصلاح الحمض النووي (DNA) أو التدقيق اللغوي، مما يمكن أن يسرع التكيف ولكنه أيضًا يراكم طفرات ضارة.