細菌の突然変異と選択

突然変異はDNA配列の遺伝的変化であり、細菌においては、その変化が有用であるかどうかにかかわらず、増殖中に自然に発生します。その後、環境が特定の変異を持つ細胞に有利に働くと、選択はその集団における頻度を増加させ、これが細菌が適応する方法であり、抗生物質耐性の獲得も含まれます。

Definition

細菌の突然変異とは、細菌のゲノム配列における遺伝的な変化を指します。選択とは、与えられた環境において、その遺伝子型が与える形質に応じて細胞が異なる生存と生殖を示すことです。

Scope

このトピックでは、細菌の突然変異の起源と種類、突然変異が誘導されるのではなく事前に存在するという古典的な証拠、選択が細菌集団にどのように作用するか、および突然変異率を調節するメカニズムについて扱います。これは集団遺伝学的メカニズムの参照概要であり、臨床的な指示を提供するものではありません。

Core questions

• 細菌の突然変異は、選択因子に先立って発生するのか、それとも選択因子に応答して発生するのか？
• どのような種類の突然変異が発生し、どのようなメカニズムがそれらを生み出すのか？
• 選択は細菌集団における変異の頻度をどのように変化させるのか？
• 突然変異率はどのように調節され、ストレスによって増加するのか？

Key concepts

• 自然突然変異
• 点突然変異、挿入、欠失
• 変動試験
• 事前に存在する突然変異と誘導される突然変異
• 正の選択と負の選択
• 突然変異率とミューテーター株
• ストレス誘発性突然変異と適応的突然変異
• コンティンジェンシー遺伝子座と相変異

Key theories

ランダムな事前存在突然変異 (Luria-Delbruck)

変動解析により、並行培養間で耐性細胞の数が大きく異なることが示されました。これは、耐性突然変異が曝露前に増殖中にランダムに発生する場合にのみ予想され、選択因子に対する誘導された応答ではないことを示唆しています。

Mechanisms

突然変異は、複製エラー、DNAへの自然な化学的変化、および可動性要素の作用から生じ、点置換、挿入、欠失、および再編成を引き起こします。Luria-Delbruckの変動試験により、このような突然変異は選択因子とは無関係に増殖中にランダムに発生し、選択は集団内にすでに存在する変異に作用することが確立されました。その後、選択は有利な変異を富化し、有害な変異を除去します。突然変異の供給は一様ではありません。修復機能が欠損したミューテーター株は全体的な突然変異率を上昇させ、Moxonらが記述するように、単純な繰り返し配列を持つ特定のコンティンジェンシー遺伝子座は高頻度で突然変異を起こし、可逆的な相変異を可能にします。また、ストレス応答は一時的に突然変異を増加させることがあり、これはRosenbergが適応的突然変異としてレビューしている現象です。これらのプロセスが連携して、細菌集団が遺伝的な変化を生成し、固定することを可能にします。

Clinical relevance

自然突然変異とその後の選択は、抗菌薬耐性への主要な経路であり、突然変異率の変動と相変異は、持続性と免疫回避に寄与します。この項目は、変異がどのように生成され選択されるかを説明するものであり、治療の指針ではありません。

History

1943年のLuria-Delbruckの実験は、細菌の突然変異が選択によって誘導されるのではなく、自然発生的で事前に存在することを示すことで、長年の疑問を解決しました。この結果はノーベル賞の一部を受賞し、細菌集団遺伝学の基礎となりました。その後、MoxonやRosenbergによってレビューされたミューテーター表現型、コンティンジェンシー遺伝子座、ストレス誘発性突然変異に関する研究は、突然変異の供給自体がどのように形成されるかについての理解を深めました。

Debates

明確に調節された「適応的」またはストレス誘発性突然変異メカニズムは存在するのか？

いくつかの実験は、ストレスが有用な変化の可能性を高めるような方法で一時的に突然変異を増加させることを示唆していますが、これがどの程度誘導的または一般的であるか、そしてそれがランダム突然変異の枠組みとどのように適合するかについては議論が続いています。

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

細菌は抗生物質に応答して突然変異を起こすのか？

古典的な証拠は、耐性突然変異が抗生物質に遭遇する前の増殖中に自然に発生することを示しています。抗生物質は、特定の突然変異を引き起こすのではなく、すでに耐性を持つ細胞を選択するのです。

ミューテーター株とは何か？

ミューテーター株は、通常、DNA修復または校正機能が欠損しているために、正常よりも高い突然変異率を持つ株であり、これは適応を加速させる可能性がありますが、有害な突然変異も蓄積させる可能性があります。