การกลายพันธุ์และการคัดเลือกในแบคทีเรีย

การกลายพันธุ์คือการเปลี่ยนแปลงที่ถ่ายทอดได้ในลำดับดีเอ็นเอ และในแบคทีเรีย การกลายพันธุ์เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติระหว่างการเจริญเติบโต โดยไม่ขึ้นอยู่กับว่าการเปลี่ยนแปลงนั้นมีประโยชน์หรือไม่ เมื่อสภาพแวดล้อมเอื้อต่อเซลล์ที่มีรูปแบบที่แตกต่างกัน การคัดเลือกจะเพิ่มความถี่ของรูปแบบนั้นในประชากร ซึ่งเป็นวิธีที่แบคทีเรียปรับตัว รวมถึงการได้รับความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ

Definition

การกลายพันธุ์ของแบคทีเรียคือการเปลี่ยนแปลงที่ถ่ายทอดได้ในลำดับจีโนมของแบคทีเรีย; การคัดเลือกคือการรอดชีวิตและการสืบพันธุ์ที่แตกต่างกันของเซลล์ตามลักษณะที่จีโนไทป์ของพวกมันมอบให้ในสภาพแวดล้อมที่กำหนด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงต้นกำเนิดและประเภทของการกลายพันธุ์ในแบคทีเรีย หลักฐานคลาสสิกที่แสดงว่าการกลายพันธุ์มีอยู่ก่อนแล้วมากกว่าที่จะถูกชี้นำ วิธีการที่การคัดเลือกกระทำต่อประชากรแบคทีเรีย และกลไกที่ปรับอัตราการกลายพันธุ์ นี่คือภาพรวมอ้างอิงของกลไกทางพันธุกรรมประชากร และไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• การกลายพันธุ์ของแบคทีเรียเกิดขึ้นก่อน หรือตอบสนองต่อตัวกระตุ้นการคัดเลือก?
• การกลายพันธุ์ประเภทใดเกิดขึ้น และกลไกใดที่สร้างการกลายพันธุ์เหล่านั้น?
• การคัดเลือกเปลี่ยนแปลงความถี่ของรูปแบบที่แตกต่างกันในประชากรแบคทีเรียได้อย่างไร?
• อัตราการกลายพันธุ์ถูกควบคุมอย่างไร และความเครียดสามารถเพิ่มอัตรานั้นได้หรือไม่?

Key concepts

• การกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ
• การกลายพันธุ์แบบจุด การแทรก และการลบ
• การทดสอบความผันผวน
• การกลายพันธุ์ที่มีอยู่ก่อนแล้วเทียบกับการกลายพันธุ์ที่ถูกชี้นำ
• การคัดเลือกเชิงบวกและเชิงลบ
• อัตราการกลายพันธุ์และสายพันธุ์มิวเทเตอร์
• การกลายพันธุ์ที่เกิดจากความเครียดและการกลายพันธุ์แบบปรับตัว
• ตำแหน่งควบคุมเหตุการณ์และการเปลี่ยนแปลงเฟส

Key theories

การกลายพันธุ์แบบสุ่มที่มีอยู่ก่อนแล้ว (Luria-Delbruck)

การวิเคราะห์ความผันผวนแสดงให้เห็นว่าจำนวนเซลล์ที่ดื้อยามีความแตกต่างกันอย่างมากระหว่างการเพาะเลี้ยงคู่ขนาน ซึ่งคาดว่าจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อการกลายพันธุ์ที่ทำให้เกิดการดื้อยาเกิดขึ้นแบบสุ่มระหว่างการเจริญเติบโตก่อนการสัมผัส ไม่ใช่เป็นการตอบสนองโดยตรงต่อตัวกระตุ้นการคัดเลือก

Mechanisms

การกลายพันธุ์เกิดขึ้นจากข้อผิดพลาดในการจำลองแบบ การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดขึ้นเองในดีเอ็นเอ และการทำงานขององค์ประกอบเคลื่อนที่ ซึ่งก่อให้เกิดการแทนที่จุด การแทรก การลบ และการจัดเรียงใหม่ การทดสอบความผันผวนของ Luria-Delbruck ได้ยืนยันว่าการกลายพันธุ์ดังกล่าวเกิดขึ้นแบบสุ่มระหว่างการเจริญเติบโต โดยไม่ขึ้นอยู่กับตัวกระตุ้นการคัดเลือก ดังนั้นการคัดเลือกจึงกระทำต่อความหลากหลายที่มีอยู่แล้วในประชากร จากนั้นการคัดเลือกจะเพิ่มรูปแบบที่เป็นประโยชน์และกำจัดรูปแบบที่เป็นอันตราย การจัดหาการกลายพันธุ์ไม่สม่ำเสมอ: สายพันธุ์มิวเทเตอร์ที่มีการซ่อมแซมบกพร่องจะเพิ่มอัตราโดยรวม ตำแหน่งควบคุมเหตุการณ์บางอย่างที่มีลำดับซ้ำง่ายจะกลายพันธุ์ด้วยความถี่สูงเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสแบบย้อนกลับได้ตามที่ Moxon และคณะอธิบาย และการตอบสนองต่อความเครียดสามารถเพิ่มการกลายพันธุ์ชั่วคราว ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ Rosenberg ทบทวนภายใต้การกลายพันธุ์แบบปรับตัว กระบวนการเหล่านี้ร่วมกันทำให้ประชากรแบคทีเรียสร้างและคงการเปลี่ยนแปลงที่ถ่ายทอดได้

Clinical relevance

การกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและการคัดเลือกเป็นเส้นทางหลักสู่การดื้อยาต้านจุลชีพ และความแปรผันของอัตราการกลายพันธุ์และการเปลี่ยนแปลงเฟสมีส่วนช่วยในการคงอยู่และการหลบเลี่ยงภูมิคุ้มกัน บทความนี้อธิบายว่าความแปรปรวนเกิดขึ้นและถูกคัดเลือกได้อย่างไร และไม่ใช่คู่มือการรักษา

History

การทดลองของ Luria-Delbruck ในปี 1943 ได้ไขข้อสงสัยที่ค้างคามานานโดยแสดงให้เห็นว่าการกลายพันธุ์ของแบคทีเรียเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและมีอยู่ก่อนแล้ว แทนที่จะถูกชักนำโดยการคัดเลือก ซึ่งเป็นผลงานที่ได้รับเกียรติจากการแบ่งปันรางวัลโนเบลและเป็นรากฐานของพันธุศาสตร์ประชากรแบคทีเรีย งานวิจัยในภายหลังเกี่ยวกับฟีโนไทป์ของมิวเทเตอร์ ตำแหน่งควบคุมเหตุการณ์ และการกลายพันธุ์ที่เกิดจากความเครียด ซึ่งได้รับการทบทวนโดย Moxon และ Rosenberg ได้ปรับปรุงความเข้าใจว่าการจัดหาการกลายพันธุ์นั้นถูกกำหนดอย่างไร

Debates

มีกลไกการกลายพันธุ์ 'แบบปรับตัว' หรือที่เกิดจากความเครียดที่แตกต่างกันและถูกควบคุมหรือไม่?

การทดลองบางอย่างชี้ให้เห็นว่าความเครียดสามารถเพิ่มการกลายพันธุ์ชั่วคราวในลักษณะที่เพิ่มโอกาสของการเปลี่ยนแปลงที่เป็นประโยชน์ แต่การที่สิ่งนี้ถูกชี้นำหรือเป็นไปอย่างทั่วไปเพียงใด และเข้ากันได้กับกรอบการกลายพันธุ์แบบสุ่มอย่างไร ยังคงเป็นที่ถกเถียงกัน

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

แบคทีเรียกลายพันธุ์เพื่อตอบสนองต่อยาปฏิชีวนะหรือไม่?

หลักฐานคลาสสิกแสดงให้เห็นว่าการกลายพันธุ์ที่ทำให้เกิดการดื้อยาเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติระหว่างการเจริญเติบโตก่อนที่จะพบยาปฏิชีวนะ จากนั้นยาปฏิชีวนะจะคัดเลือกเซลล์ที่ดื้อยาอยู่แล้ว แทนที่จะเป็นสาเหตุของการกลายพันธุ์ที่เฉพาะเจาะจงนั้น

สายพันธุ์มิวเทเตอร์คืออะไร?

สายพันธุ์มิวเทเตอร์มีอัตราการกลายพันธุ์สูงกว่าปกติ มักเกิดจากการทำงานของดีเอ็นเอที่บกพร่องในการซ่อมแซมหรือการพิสูจน์อักษร ซึ่งสามารถเร่งการปรับตัวได้ แต่ก็สามารถสะสมการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายได้เช่นกัน