Bakterielle Mutationen und Selektion

Mutationen sind vererbbare Veränderungen in der DNA-Sequenz, und bei Bakterien entstehen sie spontan während des Wachstums, unabhängig davon, ob die Veränderung nützlich ist. Wenn die Umgebung dann Zellen begünstigt, die eine bestimmte Variante tragen, erhöht die Selektion deren Häufigkeit in der Population, wodurch sich Bakterien anpassen, einschließlich der Entwicklung von Antibiotikaresistenzen.

Definition

Eine bakterielle Mutation ist eine vererbbare Veränderung in der Genomsequenz eines Bakteriums; Selektion ist das differentielle Überleben und die Reproduktion von Zellen entsprechend den Merkmalen, die ihre Genotypen in einer gegebenen Umgebung verleihen.

Scope

Dieses Thema behandelt den Ursprung und die Arten bakterieller Mutationen, die klassischen Beweise dafür, dass Mutationen präexistent und nicht gerichtet sind, wie Selektion auf bakterielle Populationen wirkt und Mechanismen, die die Mutationsrate modulieren. Es handelt sich um eine Referenzübersicht über populationsgenetische Mechanismen und enthält keine klinischen Anweisungen.

Core questions

• Entstehen bakterielle Mutationen vor oder als Reaktion auf ein Selektionsagens?
• Welche Arten von Mutationen treten auf und welche Mechanismen erzeugen sie?
• Wie verändert die Selektion die Häufigkeit einer Variante in einer Bakterienpopulation?
• Wie wird die Mutationsrate reguliert, und kann Stress sie erhöhen?

Key concepts

• Spontane Mutation
• Punktmutationen, Insertionen und Deletionen
• Fluktuationstest
• Präexistente versus gerichtete Mutation
• Positive und negative Selektion
• Mutationsrate und Mutatorstämme
• Stressinduzierte und adaptive Mutation
• Kontingenzloci und Phasenvariation

Key theories

Zufällige präexistente Mutation (Luria-Delbrück)

Die Fluktuationsanalyse zeigte, dass die Anzahl resistenter Zellen zwischen parallelen Kulturen stark variiert, was nur dann zu erwarten ist, wenn Resistenzmutationen zufällig während des Wachstums vor der Exposition auftreten und nicht als gerichtete Reaktion auf das Selektionsagens.

Mechanisms

Mutationen entstehen durch Replikationsfehler, spontane chemische Veränderungen der DNA und die Wirkung mobiler Elemente, wodurch Punktsubstitutionen, Insertionen, Deletionen und Umlagerungen entstehen. Der Luria-Delbrück-Fluktuationstest zeigte, dass solche Mutationen zufällig während des Wachstums auftreten, unabhängig vom Selektionsagens, sodass die Selektion auf bereits in der Population vorhandene Variationen wirkt. Die Selektion reichert dann vorteilhafte Varianten an und eliminiert schädliche. Die Mutationsversorgung ist nicht einheitlich: Mutatorstämme mit defekter Reparatur erhöhen die Gesamtrate, bestimmte Kontingenzloci mit einfachen Sequenzwiederholungen mutieren mit hoher Frequenz, um eine reversible Phasenvariation zu ermöglichen, wie Moxon und Kollegen beschreiben, und Stressreaktionen können die Mutation transient erhöhen, ein Phänomen, das Rosenberg unter adaptiver Mutation zusammenfasst. Zusammen ermöglichen diese Prozesse bakteriellen Populationen, vererbbare Veränderungen zu erzeugen und zu fixieren.

Clinical relevance

Spontane Mutation, gefolgt von Selektion, ist ein Kernweg zur antimikrobiellen Resistenz, und die Variation der Mutationsrate sowie die Phasenvariation tragen zur Persistenz und Immunflucht bei. Dieser Eintrag erklärt, wie Variation erzeugt und selektiert wird, und ist keine Anleitung zur Therapie.

History

Das Luria-Delbrück-Experiment von 1943 löste eine langjährige Frage, indem es zeigte, dass bakterielle Mutationen spontan und präexistent sind und nicht durch Selektion induziert werden, ein Ergebnis, das mit einem Anteil am Nobelpreis gewürdigt wurde und grundlegend für die bakterielle Populationsgenetik ist. Spätere Arbeiten zu Mutator-Phänotypen, Kontingenzloci und stressinduzierter Mutation, die von Moxon und Rosenberg rezensiert wurden, verfeinerten das Verständnis, wie die Mutationsversorgung selbst geformt wird.

Debates

Gibt es einen eigenständigen, regulierten „adaptiven“ oder stressinduzierten Mutationsmechanismus?

Einige Experimente legen nahe, dass Stress die Mutation transient auf eine Weise erhöhen kann, die die Wahrscheinlichkeit nützlicher Veränderungen erhöht, aber wie gerichtet oder allgemein dies ist und wie es in den Rahmen der Zufallsmutation passt, bleibt umstritten.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Mutieren Bakterien als Reaktion auf Antibiotika?

Die klassischen Beweise zeigen, dass Resistenzmutationen spontan während des Wachstums entstehen, bevor das Antibiotikum auf sie trifft; das Antibiotikum selektiert dann die bereits resistenten Zellen, anstatt die spezifische Mutation zu verursachen.

Was ist ein Mutatorstamm?

Ein Mutatorstamm hat eine höhere als normale Mutationsrate, in der Regel, weil eine DNA-Reparatur- oder Korrekturlesefunktion defekt ist, was die Anpassung beschleunigen, aber auch schädliche Mutationen ansammeln kann.