Мутации и селекция у бактерий

Мутации представляют собой наследуемые изменения в последовательности ДНК, и у бактерий они возникают спонтанно во время роста, независимо от того, является ли это изменение полезным. Когда окружающая среда благоприятствует клеткам, несущим определенный вариант, отбор увеличивает его частоту в популяции, что является механизмом адаптации бактерий, включая приобретение устойчивости к антибиотикам.

Definition

Бактериальная мутация — это наследуемое изменение в последовательности генома бактерии; селекция — это дифференциальное выживание и размножение клеток в соответствии с признаками, которые их генотипы обеспечивают в данной среде.

Scope

Эта тема охватывает происхождение и типы бактериальных мутаций, классические доказательства того, что мутации являются предсуществующими, а не направленными, как отбор действует на бактериальные популяции, и механизмы, которые модулируют скорость мутаций. Это обзор популяционно-генетических механизмов и не содержит клинических инструкций.

Core questions

• Возникают ли бактериальные мутации до или в ответ на селектирующий агент?
• Какие типы мутаций происходят и какие механизмы их генерируют?
• Как отбор изменяет частоту варианта в бактериальной популяции?
• Как регулируется скорость мутаций, и может ли стресс ее увеличить?

Key concepts

• Спонтанная мутация
• Точечные мутации, вставки и делеции
• Тест флуктуаций
• Предсуществующая против направленной мутации
• Положительный и отрицательный отбор
• Скорость мутаций и мутаторные штаммы
• Стресс-индуцированная и адаптивная мутация
• Локусы контингентности и фазовая вариация

Key theories

Случайная предсуществующая мутация (Лурия-Дельбрюк)

Флуктуационный анализ показал, что количество резистентных клеток сильно варьирует между параллельными культурами, что ожидается только в том случае, если мутации резистентности возникают случайным образом во время роста до воздействия, а не как направленный ответ на селектирующий агент.

Mechanisms

Мутации возникают в результате ошибок репликации, спонтанных химических изменений ДНК и действия мобильных элементов, приводя к точечным заменам, вставкам, делециям и перестройкам. Тест флуктуаций Лурии-Дельбрюка установил, что такие мутации происходят случайным образом во время роста, независимо от селектирующего агента, так что отбор действует на вариации, которые уже существуют в популяции. Затем отбор обогащает выгодные варианты и удаляет вредные. Поступление мутаций не является равномерным: мутаторные штаммы с дефектной репарацией повышают общую скорость, определенные локусы контингентности (contingency loci) с простыми тандемными повторами мутируют с высокой частотой, чтобы обеспечить обратимую фазовую вариацию (phase variation), как описывают Моксон и коллеги, а стрессовые реакции могут временно повышать мутации, явление, которое Розенберг рассматривает как адаптивную мутацию. Вместе эти процессы позволяют бактериальным популяциям генерировать и фиксировать наследуемые изменения.

Clinical relevance

Спонтанная мутация с последующим отбором является основным путем к антимикробной резистентности, а вариации скорости мутаций и фазовая вариация способствуют персистенции и уклонению от иммунного ответа. Эта статья объясняет, как генерируется и отбирается вариация, и не является руководством по терапии.

History

Эксперимент Лурии-Дельбрюка 1943 года разрешил давний вопрос, показав, что бактериальные мутации являются спонтанными и предсуществующими, а не индуцированными отбором, результат, удостоенный Нобелевской премии и являющийся основополагающим для бактериальной популяционной генетики. Более поздние работы по мутаторным фенотипам, локусам контингентности и стресс-индуцированным мутациям, рассмотренные Моксоном и Розенбергом, уточнили понимание того, как формируется само поступление мутаций.

Debates

Существует ли отдельный, регулируемый «адаптивный» или стресс-индуцированный механизм мутации?

Некоторые эксперименты предполагают, что стресс может временно повышать мутации таким образом, чтобы увеличить вероятность полезных изменений, но насколько это направлено или распространено, и как это согласуется с концепцией случайных мутаций, остается предметом дискуссий.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Мутируют ли бактерии в ответ на антибиотики?

Классические данные показывают, что мутации резистентности возникают спонтанно во время роста до контакта с антибиотиком; затем антибиотик отбирает уже резистентные клетки, а не вызывает специфическую мутацию.

Что такое мутаторный штамм?

Мутаторный штамм имеет более высокую, чем в норме, скорость мутаций, обычно из-за дефекта функции репарации ДНК или коррекции ошибок, что может ускорить адаптацию, но также привести к накоплению вредных мутаций.