جهش‌ها و انتخاب باکتریایی

جهش‌ها تغییرات ارثی در توالی DNA هستند و در باکتری‌ها به طور خودبه‌خودی در طول رشد ایجاد می‌شوند، مستقل از اینکه آیا این تغییر مفید باشد یا خیر. هنگامی که محیط، سلول‌های حامل یک نوع خاص را ترجیح می‌دهد، انتخاب فراوانی آن را در جمعیت افزایش می‌دهد، که اینگونه باکتری‌ها سازگار می‌شوند، از جمله از طریق کسب مقاومت در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها.

Definition

جهش باکتریایی یک تغییر ارثی در توالی ژنوم یک باکتری است؛ انتخاب عبارت است از بقا و تولید مثل متفاوت سلول‌ها بر اساس ویژگی‌هایی که ژنوتیپ‌های آن‌ها در یک محیط معین ایجاد می‌کنند.

Scope

این موضوع به منشأ و انواع جهش‌های باکتریایی، شواهد کلاسیک مبنی بر اینکه جهش‌ها از قبل موجود هستند و نه هدایت‌شده، نحوه عمل انتخاب بر جمعیت‌های باکتریایی، و مکانیسم‌هایی که نرخ جهش را تعدیل می‌کنند، می‌پردازد. این یک مرور مرجع از مکانیسم‌های ژنتیک جمعیت است و دستورالعمل‌های بالینی ارائه نمی‌دهد.

Core questions

• آیا جهش‌های باکتریایی قبل از عامل انتخاب‌کننده ایجاد می‌شوند یا در پاسخ به آن؟
• چه انواعی از جهش‌ها رخ می‌دهند و چه مکانیسم‌هایی آن‌ها را تولید می‌کنند؟
• انتخاب چگونه فراوانی یک واریانت را در جمعیت باکتریایی تغییر می‌دهد؟
• نرخ جهش چگونه تنظیم می‌شود و آیا استرس می‌تواند آن را افزایش دهد؟

Key concepts

• جهش خودبه‌خودی
• جهش‌های نقطه‌ای، درج‌ها و حذف‌ها
• آزمایش نوسان
• جهش از پیش موجود در مقابل جهش هدایت‌شده
• انتخاب مثبت و منفی
• نرخ جهش و سویه‌های جهش‌زا
• جهش ناشی از استرس و تطبیقی
• جایگاه‌های احتمالی و تغییر فاز

Key theories

جهش تصادفی از پیش موجود (لوریا-دلبروک)

تحلیل نوسان نشان داد که تعداد سلول‌های مقاوم بین کشت‌های موازی به طور گسترده‌ای متفاوت است، که تنها در صورتی انتظار می‌رود که جهش‌های مقاومت به طور تصادفی در طول رشد قبل از مواجهه رخ دهند، نه به عنوان یک پاسخ هدایت‌شده به عامل انتخاب‌کننده.

Mechanisms

جهش‌ها از خطاهای همانندسازی، تغییرات شیمیایی خودبه‌خودی در DNA، و عملکرد عناصر متحرک ناشی می‌شوند و منجر به جانشینی‌های نقطه‌ای، درج‌ها، حذف‌ها و بازآرایی‌ها می‌گردند. آزمایش نوسان لوریا-دلبروک (Luria-Delbruck fluctuation test) نشان داد که چنین جهش‌هایی به طور تصادفی در طول رشد، مستقل از عامل انتخاب‌کننده، رخ می‌دهند، به طوری که انتخاب بر روی تنوعی که از قبل در جمعیت وجود دارد، عمل می‌کند. سپس انتخاب، انواع سودمند را غنی کرده و انواع مضر را حذف می‌کند. عرضه جهش یکنواخت نیست: سویه‌های جهش‌زا (mutator strains) با ترمیم معیوب، نرخ کلی را افزایش می‌دهند، برخی جایگاه‌های احتمالی (contingency loci) با تکرارهای توالی ساده با فرکانس بالا جهش می‌یابند تا امکان تغییر فاز برگشت‌پذیر را فراهم کنند، همانطور که ماکسون و همکارانش توصیف می‌کنند، و پاسخ‌های استرس می‌توانند به طور موقت جهش را افزایش دهند، پدیده‌ای که روزنبرگ تحت عنوان جهش تطبیقی (adaptive mutation) بررسی می‌کند. این فرآیندها در مجموع به جمعیت‌های باکتریایی اجازه می‌دهند تا تغییرات ارثی را تولید و تثبیت کنند.

Clinical relevance

جهش خودبه‌خودی و به دنبال آن انتخاب، یک مسیر اصلی برای مقاومت ضد میکروبی است، و تغییرات نرخ جهش و تغییر فاز به پایداری و فرار از سیستم ایمنی کمک می‌کنند. این مدخل توضیح می‌دهد که چگونه تنوع ایجاد و انتخاب می‌شود و راهنمایی برای درمان نیست.

History

آزمایش لوریا-دلبروک در سال ۱۹۴۳ با نشان دادن اینکه جهش‌های باکتریایی خودبه‌خودی و از قبل موجود هستند و نه ناشی از انتخاب، به یک سوال دیرینه پاسخ داد، نتیجه‌ای که با سهمی از جایزه نوبل مورد تقدیر قرار گرفت و مبنای ژنتیک جمعیت باکتریایی شد. کارهای بعدی بر روی فنوتیپ‌های جهش‌زا، جایگاه‌های احتمالی، و جهش ناشی از استرس، که توسط ماکسون و روزنبرگ بررسی شده‌اند، درک چگونگی شکل‌گیری عرضه جهش را بهبود بخشید.

Debates

آیا یک مکانیسم جهش 'تطبیقی' یا ناشی از استرس متمایز و تنظیم‌شده وجود دارد؟

برخی آزمایش‌ها نشان می‌دهند که استرس می‌تواند به طور موقت جهش را به گونه‌ای افزایش دهد که شانس تغییر مفید را بالا ببرد، اما اینکه این پدیده چقدر هدایت‌شده یا عمومی است و چگونه با چارچوب جهش تصادفی سازگار می‌شود، همچنان مورد بحث است.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

آیا باکتری‌ها در پاسخ به آنتی‌بیوتیک‌ها جهش می‌یابند؟

شواهد کلاسیک نشان می‌دهد که جهش‌های مقاومت به طور خودبه‌خودی در طول رشد قبل از مواجهه با آنتی‌بیوتیک ایجاد می‌شوند؛ سپس آنتی‌بیوتیک سلول‌های از قبل مقاوم را انتخاب می‌کند، نه اینکه باعث جهش خاص شود.

سویه جهش‌زا چیست؟

سویه جهش‌زا دارای نرخ جهش بالاتر از حد طبیعی است، معمولاً به این دلیل که عملکرد ترمیم DNA یا تصحیح (proofreading) معیوب است، که می‌تواند سازگاری را تسریع کند اما همچنین جهش‌های مضر را نیز انباشته کند.