Đột biến và chọn lọc ở vi khuẩn

Đột biến là những thay đổi di truyền trong trình tự DNA, và ở vi khuẩn, chúng phát sinh tự phát trong quá trình sinh trưởng, độc lập với việc thay đổi đó có hữu ích hay không. Khi môi trường ưu tiên các tế bào mang một biến thể cụ thể, chọn lọc sẽ làm tăng tần số của biến thể đó trong quần thể, đây là cách vi khuẩn thích nghi, bao gồm cả việc kháng kháng sinh.

Definition

Đột biến vi khuẩn là một thay đổi di truyền trong trình tự bộ gen của vi khuẩn; chọn lọc là sự sống sót và sinh sản khác biệt của các tế bào tùy theo đặc điểm mà kiểu gen của chúng mang lại trong một môi trường nhất định.

Scope

Chủ đề này bao gồm nguồn gốc và các loại đột biến vi khuẩn, bằng chứng kinh điển cho thấy đột biến đã tồn tại từ trước chứ không phải được định hướng, cách chọn lọc tác động lên quần thể vi khuẩn và các cơ chế điều hòa tốc độ đột biến. Đây là một tổng quan tham khảo về các cơ chế di truyền quần thể và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Đột biến vi khuẩn phát sinh trước hay để đáp ứng với tác nhân chọn lọc?
• Những loại đột biến nào xảy ra và cơ chế nào tạo ra chúng?
• Chọn lọc thay đổi tần số của một biến thể trong quần thể vi khuẩn như thế nào?
• Tốc độ đột biến được điều hòa như thế nào và căng thẳng có thể làm tăng nó không?

Key concepts

• Đột biến tự phát
• Đột biến điểm, chèn và xóa
• Thử nghiệm dao động
• Đột biến đã tồn tại từ trước so với đột biến định hướng
• Chọn lọc dương tính và âm tính
• Tốc độ đột biến và các chủng đột biến
• Đột biến do căng thẳng và đột biến thích nghi
• Locus ngẫu nhiên và biến đổi pha

Key theories

Đột biến ngẫu nhiên đã tồn tại từ trước (Luria-Delbruck)

Phân tích dao động cho thấy số lượng tế bào kháng thuốc thay đổi rộng rãi giữa các nuôi cấy song song, điều này chỉ được mong đợi nếu đột biến kháng thuốc xảy ra ngẫu nhiên trong quá trình sinh trưởng trước khi tiếp xúc, chứ không phải là một phản ứng định hướng đối với tác nhân chọn lọc.

Mechanisms

Đột biến phát sinh từ lỗi sao chép, những thay đổi hóa học tự phát đối với DNA và hoạt động của các yếu tố di động, tạo ra các thay thế điểm, chèn, xóa và sắp xếp lại. Thử nghiệm dao động Luria-Delbruck đã xác định rằng những đột biến như vậy xảy ra ngẫu nhiên trong quá trình sinh trưởng, độc lập với tác nhân chọn lọc, do đó chọn lọc tác động lên sự biến đổi đã tồn tại trong quần thể. Chọn lọc sau đó làm giàu các biến thể có lợi và loại bỏ các biến thể có hại. Nguồn cung đột biến không đồng nhất: các chủng đột biến với khả năng sửa chữa bị lỗi làm tăng tốc độ tổng thể, một số locus ngẫu nhiên với các trình tự lặp đơn giản đột biến với tần số cao để cho phép biến đổi pha thuận nghịch như Moxon và các đồng nghiệp mô tả, và các phản ứng căng thẳng có thể tạm thời làm tăng đột biến, một hiện tượng mà Rosenberg xem xét dưới dạng đột biến thích nghi. Cùng nhau, các quá trình này cho phép quần thể vi khuẩn tạo ra và cố định sự thay đổi di truyền.

Clinical relevance

Đột biến tự phát sau đó là chọn lọc là một con đường cốt lõi dẫn đến kháng kháng sinh, và sự biến đổi tốc độ đột biến và biến đổi pha góp phần vào sự tồn tại dai dẳng và trốn tránh miễn dịch. Mục này giải thích cách biến đổi được tạo ra và chọn lọc và không phải là hướng dẫn điều trị.

History

Thí nghiệm Luria-Delbruck năm 1943 đã giải quyết một câu hỏi tồn tại lâu dài bằng cách chỉ ra rằng đột biến vi khuẩn là tự phát và đã tồn tại từ trước chứ không phải do chọn lọc gây ra, một kết quả được vinh danh bằng một phần giải Nobel và là nền tảng cho di truyền quần thể vi khuẩn. Các công trình sau này về kiểu hình đột biến, locus ngẫu nhiên và đột biến do căng thẳng, được Moxon và Rosenberg xem xét, đã tinh chỉnh sự hiểu biết về cách nguồn cung đột biến được định hình.

Debates

Có một cơ chế đột biến 'thích nghi' hoặc do căng thẳng được điều hòa riêng biệt không?

Một số thí nghiệm cho thấy căng thẳng có thể tạm thời làm tăng đột biến theo những cách làm tăng cơ hội thay đổi hữu ích, nhưng mức độ định hướng hoặc tổng quát của điều này, và cách nó phù hợp với khuôn khổ đột biến ngẫu nhiên, vẫn còn đang tranh luận.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Vi khuẩn có đột biến để đáp ứng với kháng sinh không?

Bằng chứng kinh điển cho thấy đột biến kháng thuốc phát sinh tự phát trong quá trình sinh trưởng trước khi gặp kháng sinh; kháng sinh sau đó chọn lọc các tế bào đã kháng thuốc chứ không gây ra đột biến cụ thể.

Chủng đột biến là gì?

Một chủng đột biến có tốc độ đột biến cao hơn bình thường, thường là do chức năng sửa chữa DNA hoặc đọc sửa bị lỗi, điều này có thể đẩy nhanh quá trình thích nghi nhưng cũng tích lũy các đột biến có hại.