Дослідження мутацій та генетичних змін у бактеріальних популяціях

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Харківський національний медичний університет

Кафедра мікробіології, вірусології та імунології Д.П Гриньова

Дослідження мутацій та генетичних змін у бактеріальних популяціях

Буров А.М., к.м.н., асистент

Анотація

У статті розглядаються механізми мутагенезу та генетичні зміни в бактеріальних популяціях, зокрема їх вплив на адаптивність і еволюційні процеси. Основну увагу приділено різноманітним мутаціям, що виникають спонтанно або під впливом зовнішніх факторів, а також їх ролі у формуванні стійкості до антибіотиків та інших екологічних стресів. Описуються дослідження з використанням різних моделей та методів для вивчення специфічності мутацій і їхніх наслідків для бактеріальних популяцій.

Метою цієї роботи є дослідження механізмів мутагенезу та генетичних змін у популяціях бактерій, а також їх впливу на адаптивність і еволюційні процеси в умовах різних екологічних стресів. Було проведено огляд досліджень мутацій та генетичних змін у бактеріальних популяціях. Виявлено різноманітні типи мутацій, включаючи точкові мутації, інсерції, делеції та хромосомні аберації. Ці мутації можуть виникати спонтанно через помилки під час реплікації ДНК або під впливом зовнішніх мутагенів, таких як УФ-промені та хімічні агенти. Досліджено адаптивні мутації, які допомагають бактеріям виживати в стресових умовах, таких як наявність антибіотиків.

Виявлено, що мутації в генах, пов'язаних зі стійкістю до антибіотиків, призводять до змін у білках-мішенях, ефлюксних насосах і ферментах, що розщеплюють антибіотики. Генетичні зміни в бактеріальних популяціях сприяють їхній еволюції. Наприклад, вивчення оперонів, таких як ebg і bgl в E. coli, показало, що мутації можуть призводити до розвитку нових метаболічних можливостей і адаптації до нових субстратів. Виявлено, що різні бактерії мають кілька типів репараційних систем, які допомагають виправляти пошкодження ДНК, спричинені мутаціями. Наприклад, фотореактивація та темнова репарація дозволяють бактеріям зберігати генетичну стабільність навіть після значного впливу мутагенів.

Дослідження показали, що спонтанні мутації, такі як ті, що відбуваються в гені rpsL, можуть значно підвищувати рівень продукції антибіотиків у Streptomyces. Також доведено, що мутації в інших генах можуть сприяти стійкості бактерій до антибіотиків, що становить серйозну проблему для сучасної медицини.

Ці результати підкреслюють важливість вивчення мутацій та генетичних змін у бактерій для розуміння механізмів їх адаптації та еволюції, а також для розробки нових підходів до боротьби з антибіотикорезистентністю.

Ключові слова: бактерії, спонтанні мутації, адаптивні мутації антибіотикорезистентність, генетичні зміни, резистентність, ДНК.

Abstract

Research of mutations and genetic changes in bacterial populations

Burov A.M., Dr Philos., Assistant of the Department Microbiology, Virology and Immunology named after D.P. Grynyov, Kharkiv National Medical University

This article is a comprehensive exploration of the mechanisms of mutagenesis and genetic changes in bacterial populations. It focuses on their practical implications, particularly their influence on adaptability and evolutionary processes. The research highlights the role of various mutations, both spontaneous and induced, in the development of resistance to antibiotics and other environmental stresses. The findings, derived from a range of models and methods, provide valuable insights for the development of strategies to combat antibiotic resistance and enhance bacterial adaptability.

This study delves into the mechanisms of mutagenesis and genetic changes in bacterial populations, and their impact on adaptability and evolutionary processes under various environmental stresses. It reviews a wide range of mutation types, including point mutations, insertions, deletions, and chromosomal aberrations, and their diverse effects on bacterial populations.

These mutations can occur spontaneously due to errors during DNA replication or under the influence of external mutagens such as UV rays and chemical agents. Adaptive mutations that aid bacteria in surviving stressful conditions, such as the presence of antibiotics, have been thoroughly examined. Mutations in genes associated with antibiotic resistance have been found to result in changes in target proteins, efflux pumps, and antibiotic-degrading enzymes.

Genetic changes in bacterial populations are instrumental in their evolution. For instance, studies of operons such as ebg and bgl in E. coli have demonstrated that mutations can lead to the development of new metabolic capabilities and adaptation to new substrates. Various bacteria have been found to possess multiple types of repair systems that assist in repairing DNA damage caused by mutations. For example, photoreactivation and dark repair enable bacteria to maintain genetic stability even after significant exposure to mutagens. Research has revealed that spontaneous mutations, such as those occurring in the rpsL gene, can significantly boost the level of antibiotic production in Streptomyces. It has also been established that mutations in other genes can contribute to the resistance of bacteria to antibiotics, a pressing issue in modern medicine.

These significant findings underscore the crucial importance of studying mutations and genetic changes in bacteria. They not only deepen our understanding of the mechanisms of bacterial adaptation and evolution but also pave the way for innovative approaches to combat antibiotic resistance, a pressing issue in modern medicine.

Keywords: bacteria, spontaneous mutations, adaptive mutations, antibiotic resistance, genetic changes, resistance, DNA.

Постановка проблеми

Бактеріальні популяції зазнають постійних генетичних змін через мутації та процеси горизонтального перенесення генів. Ці генетичні зміни є ключовими для їх адаптації до змінних умов середовища, зокрема, до впливу антибіотиків [1,2].

Мутації є основним рушійним механізмом еволюції та адаптації бактерій, що дозволяє їм виживати в умовах стресу і змінних середовищ. Однак дослідження мутацій у популяціях різних бактерій стикається з кількома проблемами, які впливають на точність і узагальненість отриманих результатів.

Популяції бактерій демонструють високу генетичну різноманітність, що ускладнює ідентифікацію конкретних мутацій, які відповідальні за адаптивні зміни. Бактерії мають здатність до швидкого розмноження і великого генетичного розмаїття завдяки горизонтальному перенесенню генів, що створює значні виклики у вивченні мутаційних процесів [3].

Бактеріальні популяції піддаються різноманітним екологічним стресам, таким як зміни температури, pH, наявність антибіотиків або інших хімічних речовин. Ці фактори можуть стимулювати виникнення специфічних мутацій, що ускладнює розмежування між мутаціями, викликаними природними умовами і тими, що спричинені лабораторними маніпуляціями [4,5].

Бактерії використовують різні механізми для виникнення мутацій, включаючи спонтанні мутації та індуковані мутації, викликані зовнішніми мутагенами. Спонтанні мутації можуть бути наслідком помилок при реплікації ДНК або внутрішньоклітинних метаболічних процесів, тоді як індуковані мутації можуть бути спричинені фізичними (УФ-промені, радіація), хімічними (мутагенні сполуки) і біологічними (віруси, транспозони) факторами.

Організація бактеріальної ДНК у компактну нуклеоїдну структуру, яка включає нуклеоїд-асоційовані білки (NAP) та інші регуляторні білки, впливає на частоту та розподіл мутацій у різних частинах хромосоми. Варіації в частоті мутацій і рекомбінацій у різних регіонах бактеріальної хромосоми можуть мати значний вплив на еволюцію бактерій та їхню здатність до адаптації [6]. Розробка ефективних методів для вивчення мутацій є критично важливою, але складною задачею. Наявні методи, такі як секвенування ДНК, аналіз генетичних маркерів і функціональні дослідження генів, мають свої обмеження і можуть не завжди давати повну картину мутаційних процесів у бактеріальних популяціях. Антибіотикорезистентність, що розвивається внаслідок таких мутацій, стала однією з найбільших загроз сучасній медицині, ускладнюючи лікування інфекційних захворювань та збільшуючи смертність і економічні витрати на охорону здоров'я. Попри досягнення у сфері генетики та мікробіології, багато аспектів мутаційних процесів залишаються недостатньо вивченими.

Важливими питаннями є механізми спонтанних та індукованих мутацій, їх частота та вплив на функціонування бактеріальних клітин. Крім того, дослідження регуляторних механізмів, що контролюють мутагенез та рекомбінаційні процеси, можуть відкрити нові шляхи для контролю над розвитком резистентності. Суттєвою проблемою є також недостатнє розуміння регіональних відмінностей у швидкості мутацій та рекомбінацій у бактеріальних хромосомах [6]. Ці відмінності можуть мати значний вплив на еволюцію бактерій і їхню здатність адаптуватися до стресових умов. Такі знання можуть сприяти розробці нових антибактеріальних стратегій і методів боротьби з резистентністю, що є життєво важливим для збереження ефективності антибіотиків. Таким чином, ця стаття має на меті дослідити генетичні зміни у бактеріальних популяціях, зокрема, механізми мутацій та їх вплив на адаптацію бактерій.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У статті Сармієнто-Вілламіл Дж та співавторів описано ефективну стратегію отримання мутантів шляхом цільового видалення генів у грибка Ophiostoma novo-ulmi, що викликає голландську хворобу в'язів. Дослідження показало, що використання CRISPR/Cas9 дозволяє точно та швидко видаляти окремі гени, що суттєво сприяє вивченню функціональних характеристик генів і розвитку нових методів боротьби з патогенами рослин [1]. І. Хефец та ін. представили дослідження оборотної мутації [2]. У роботі Букхолдера П. та Гілеса Н., опублікованій ще у 1947 році, досліджується індукція біохімічних мутацій у бактерії Bacillus subtilis. Авторами були вивчені ефекти різних мутагенів на зміну біохімічних властивостей бактерій, що дозволило виявити нові шляхи адаптації мікроорганізмів до змінних умов середовища [3]. Деві П. та Понтекорво Г. розглядають мутації, викликані рентгенівським опроміненням у висушених бактеріях. Куліба М.Дж., Ван Тайн Д. дослідили бактеріальну еволюцію під час інфікування [4]. Дослідження, проведене у 1947 році, показало, що рентгенівське опромінення може викликати значні генетичні зміни, що дозволило краще зрозуміти механізми мутагенезу під дією фізичних факторів [5]. Хіггінботом С. А. Ронделет та ін. представили новий метод ESI мутагенезу, який дозволяє одноетапно вводити мутації у бактеріальні штучні хромосоми (BAC). Метод базується на використанні специфічних олігонуклеотидів і дозволяє швидко і точно змінювати генетичну інформацію в BAC [6]. Кожен з цих наукових джерел вивчає різні аспекти мутацій і їх вплив на живі системи, зокрема на бактерії. У роботі Каноде Р., Чандра С., Шарма С. досліджено метод бактеріального аналізу оберненої мутації для виявлення речовин, що можуть викликати ракові захворювання, але не мають прямого генотоксичного впливу. Автори розглядають технічні аспекти цього методу та його потенційні переваги у виявленні канцерогенів[7].

Ківісаар М. досліджує варіації у швидкостях мутації та рекомбінації вздовж хромосом бактерій. Це допомагає краще зрозуміти процеси еволюції та адаптації бактерій до змін у середовищі [8]. Рюленс П., де Віссер Дж. А. Г. М. дослідив явище клонального втручання та вплив мутацій в невеликих популяціях бактерій. Автори використовують експериментальні підходи для вивчення взаємодії між мутаціями та конкуренцією в мікробних популяціях [9]. У своїй роботі [10] Унтербергер-Хені Е. порівнює ефекти трьох ізомерів метилен- діаніліну на мутагенність у бактерійних системах. Автори досліджують різні методи токсикологічного аналізу, щоб зрозуміти потенційний ризик цих сполук для здоров'я.

Мета статті Метою цієї роботи є дослідження механізмів мутагенезу та генетичних змін у популяціях бактерій, а також їх впливу на адаптивність і еволюційні процеси в умовах різних екологічних стресів.

Виклад основного матеріалу

генетичний мутагенез бактерія еволюційний екологічний стрес

Мутації у популяціях бактерій відіграють ключову роль у їх еволюції та адаптації до змінних умов середовища. Ці випадкові зміни в ДНК можуть мати різні наслідки, від нейтральних до тих, що забезпечують переваги чи навіть призводять до захворювань. Мутації - це постійні зміни в послідовності нуклеотидів ДНК. Мутації у бактеріях можуть мати різні наслідки. Нейтральні мутації не впливають на функціонування бактерій, оскільки вони не змінюють важливих для життєдіяльності білків або клітинних процесів [1]. Корисні мутації можуть підвищувати виживаність бактерій [2]. Наприклад, мутації, що забезпечують стійкість до антибіотиків, дозволяють бактеріям виживати і розмножуватись у присутності лікарських препаратів, що раніше були ефективними. Шкідливі мутації, навпаки, можуть призводити до втрати важливих функцій, таких як здатність до реплікації або обміну речовин, або ж підвищувати вірулентність, що робить бактерії більш небезпечними для організмів-хазяїв. Ці наслідки мутацій грають важливу роль в еволюції та адаптації бактеріальних популяцій до змінних умов середовища, впливаючи на їхню життєздатність і поширення. Мутації є основою для еволюційних змін, оскільки вони вносять генетичне різноманіття, на яке може впливати природний добір. Бактерії з корисними мутаціями мають більші шанси на виживання та розмноження, передаючи свої гени наступним поколінням.

Вони можуть виникати спонтанно під час клітинних процесів, таких як реплікація ДНК, або бути викликаними зовнішніми факторами, зокрема хімічними речовинами чи радіацією. Мутації можуть бути спонтанними, тобто виникати мимовільно без зовнішнього впливу, або індукованими, викликаними певними факторами [3]. Спонтанні точкові мутації часто є результатом помилок під час реплікації ДНК, пов'язаних з таутомерними змінами в азотистих основах. Наприклад, тимін зазвичай знаходиться в кетоформі і спарюється з аденіном. Однак, якщо тимін переходить в енольну форму, він починає спарюватися з гуаніном, що призводить до появи в новій молекулі ДНК пари Г-Ц замість А-Т. Спонтанні хромосомні аберації можуть виникати внаслідок переміщення рухомих генетичних елементів. Індуковані мутації з'являються під впливом зовнішніх мутагенів, які можуть бути фізичними (УФ-промені, іонізуюча радіація), хімічними (аналоги пуринових і піримідинових основ, азотиста кислота та інші сполуки) або біологічними (транспозони). Аналоги пуринових і піримідинових основ, такі як 2-амінопурин і 5-бромурацил, включаються в ДНК, але часто спаровуються з "неправильними" партнерами через таутомерні перетворення, викликаючи заміну пуринів або піримідинів. Це явище називається транзицією, коли пурин замінюється іншим пурином (А-Г) або піримідин замінюється іншим піримідином (Т-Ц). Азотиста кислота та її аналоги викликають дезамінування азотистих основ, що призводить до помилок при спарюванні і, як наслідок, до транзиції. Наприклад, аденін при дезамінуванні перетворюється в гіпоксантин, який спарюється з цитозином, що призводить до заміни пари АТ на ГЦ. Гуанін при дезамінуванні перетворюється в ксантин, який продовжує спарюватися з цитозином, тому дезамінування гуаніну не викликає мутації. Акридин та профлавін вставляються між сусідніми основами ДНК, подвоюючи відстань між ними [4]. Це може призвести до втрати нуклеотиду або включення додаткової нуклеотидної пари, що зрушує рамку зчитування тРНК і викликає зчитування інформації з помилками.

Бактерії мають складні механізми репарації ДНК, що дозволяє їм виправляти пошкодження, спричинені мутагенними факторами. До таких механізмів належать нуклеотидна ексцизійна репарація, система SOS-відповіді, а також специфічні системи для видалення тимінових димерів, які утворюються під впливом УФ-випромінення. Мутації відіграють ключову роль в еволюції бактеріальних популяцій, оскільки вони сприяють генетичному різноманіттю, що може покращувати адаптацію до змін у навколишньому середовищі. Деякі мутації можуть надати бактеріям стійкість до антибіотиків, що є серйозною проблемою в сучасній медицині [5]. Дослідження також фокусуються на впливі різних фізичних і хімічних факторів на генетичну мінливість бактерій. Зокрема, вивчається вплив радіації в зоні відчуження Чорнобильської АЕС, де бактерії демонструють значні генетичні зміни внаслідок тривалого впливу радіації.

В бактеріальних популяціях різноманітні генетичні механізми можуть призводити до мутацій. Найчастіше активними є такі механізми [5]:

1. Точкові мутації: Це найпоширеніший тип мутацій, які включають заміни однієї пари основ у ДНК. Точкові мутації можуть бути викликані помилками під час реплікації ДНК або впливом мутагенів, таких як хімічні агенти та ультрафіолетове випромінювання.

2. Інсерції та делеції: Інсерції (вставки) та делеції (видалення) сегментів ДНК можуть призводити до значних змін у геномі бактерій. Ці мутації можуть виникати через нерівні кросинговери під час реплікації або через вплив мобільних генетичних елементів, таких як транспозони.

3. Транспозони та інші мобільні генетичні елементи: Транспозони можуть переміщуватися з одного місця в геномі в інше, спричиняючи мутації. Вони можуть викликати інсерції або делеції і часто несуть додаткові гени, наприклад, гени стійкості до антибіотиків.

4. Рекомбінації: Генетична рекомбінація, включаючи гомологічну рекомбінацію, часто використовується для виправлення пошкоджень ДНК, але також може спричиняти мутації, якщо вона відбувається між нерівними сегментами ДНК. Цей механізм важливий для горизонтального перенесення генів, що сприяє генетичній різноманітності.

5. Фактор SOS: Цей механізм активується у відповідь на значне пошкодження ДНК і включає спеціальні ДНК-полімерази, які мають низьку точність копіювання. Внаслідок цього можуть виникати численні мутації, але цей механізм дозволяє бактеріям виживати в екстремальних умовах.

6. Ультрафіолетове та іонізуюче випромінювання: Ці фактори можуть спричиняти формування димерів тиміну та інші форми пошкоджень ДНК, які призводять до помилок при реплікації. У відповідь на такі пошкодження активуються різні системи репарації, які можуть бути джерелом мутацій. Ультрафіолетове опромінення вражає переважно піримідинові основи, спричиняючи утворення тимінових димерів. Дослідження показали, що ушкодження ДНК, викликані УФ-опроміненням, можуть частково виправлятися завдяки репараційним системам, які функціонують у різних бактеріях. Один тип репарації здійснюється на світлі завдяки фотореактивуючому ферменту, який розщеплює тимінові димери. В темновій репарації дефектні ділянки ДНК видаляються, а нова ДНК синтезується за допомогою ДНК-полімерази на основі збереженої матриці, після чого ланцюги з'єднуються лігазою.

Мутації у популяціях бактерій є фундаментальним процесом, який впливає на їхню адаптацію та еволюцію. Вони можуть мати як позитивні, так і негативні наслідки, і є важливими для розуміння як мікробіології, так і ширших аспектів біології та медицини. Однією з найважливіших проблем у медицині є розвиток антибіотикорезистентності серед бактерій. Зрозуміння мутацій допомагає вченим розробляти нові стратегії боротьби з бактеріальними інфекціями та антибіотикорезистентністю. Мутації можуть призвести до змін у генах, що кодують білки-мішені для антибіотиків, або до вироблення ферментів, які руйнують антибіотики. Це дозволяє бактеріям виживати навіть у присутності лікарських препаратів, що раніше були ефективними проти них. Антибіотикорезистентність є серйозною проблемою сучасної медицини, і мутації відіграють ключову роль у розвитку стійкості бактерій до антибіотиків. Мутації, що спричиняють розвиток стійкості до антибіотиків, часто відбуваються в генах, які кодують білки-мішені, транспортери ліків, регулятори транспортерів і ферменти, що модифікують антибіотики [6, 7]. Ці зміни можуть бути спонтанними або індукованими впливом зовнішніх факторів, таких як ультрафіолетове випромінювання чи хімічні речовини. Мутації можуть змінювати структуру білків, до яких прикріплюються антибіотики, знижуючи їх ефективність. Наприклад, мутації в генах, що кодують рибосомні білки, можуть призвести до того, що антибіотик не може зв'язуватися з рибосомою і, відповідно, не зупиняє синтез білка. Деякі мутації можуть активувати або підвищувати ефективність ефлюксних насосів, які виводять антибіотик з клітини, зменшуючи його внутрішньоклітинну концентрацію і запобігаючи його дії. Мутації можуть призводити до вироблення нових ферментів або модифікації наявних, які розщеплюють або модифікують антибіотик, роблячи його неактивним. Нераціональне використання антибіотиків у медицині та ветеринарії, а також самолікування значно сприяють розвитку резистентності. Це включає призначення антибіотиків без необхідності, неправильне дозування або недотримання тривалості лікування. Антибіотикорезистентність є глобальною загрозою здоров'ю населення, оскільки зниження ефективності антибіотиків ускладнює лікування інфекцій [5,8]. Це вимагає розробки нових стратегій для боротьби з резистентністю та підвищення обізнаності про раціональне використання антибіотиків. Вивчення мутацій та їхніх механізмів допомагає розробляти нові методи боротьби з антибіотикорезистентністю, включаючи створення нових антибіотиків і вдосконалення наявних препаратів. Спільні зусилля науковців, медиків і громадськості можуть допомогти зберегти ефективність антибіотиків і захистити здоров'я майбутніх поколінь.

Дослідження мутацій та генетичних змін у бактеріальних популяціях продовжують бути актуальним напрямом в генетиці і мікробіології. Наразі особливу увагу приділяють вивченню механізмів мутацій та їхнього впливу на адаптацію і еволюцію бактерій.

Швидкість мутацій і рекомбінації в бактеріальній хромосомі не є постійною. Хромосомна ДНК бактерій організована в компактну структуру, звану нуклеоїдом, яка формується завдяки зв'язуванню з нуклеоїд-асоційованими білками (NAP) та іншими білками. Останні дослідження показують, що процеси мутацій і рекомбінації у бактерій відбуваються з різною інтенсивністю залежно від положення в хромосомі.

Ці регіональні відмінності можуть бути спричинені участю NAP-білків та інших механізмів, які впливають на структуру і доступність ДНК для процесів мутацій і рекомбінації. В результаті, різні ділянки хромосоми можуть мати різну схильність до генетичних змін, що впливає на еволюцію бактерій. Враховуючи ці відмінності, варіації у швидкості мутацій і рекомбінацій можуть призводити до утворення нових фенотипів і адаптаційних переваг, що підвищують здатність бактерій виживати і розмножуватися в різних умовах.

Не зважаючи на значні досягнення в галузі медицини та біотехнологій, останнім часом спостерігається зростання стійкості патогенних мікроорганізмів до більшості відомих антибіотиків. Це стає серйозною проблемою для сучасної медицини, оскільки може призвести до ускладнень у лікуванні інфекційних захворювань та збільшення смертності від них. Тому на сьогодні виникає критична необхідність у пошуку нових ефективних антибіотиків та вдосконаленні наявних. Одними з основних джерел антибіотиків є грампозитивні бактерії роду Streptomyces. Ці мікроорганізми є базою для пошуку нових антибіотичних сполук через їхню здатність продукувати різноманітні біоактивні речовини. Один із встановлених методів отримання промислових продуцентів антибіотиків полягає у створенні мутантів стрептоміцетів з мутаціями в гені rpsL, що кодує рибосомний білок S12. Ці мутації можуть стимулювати виробництво антибіотиків. Ген rpsL відповідає за точність трансляції та активність певних метаболічних шляхів, бо білок S12 утворює частину рибосомного декодувального сайту, де відбувається правильне розпізнавання кодонів. Це пояснює вплив мутацій в гені rpsL на точність трансляції, але деталі механізму від мутації до зміни метаболічної активності потребують подальшого дослідження.

Спонтанні мутації у геномі rpsL можуть також включати інші зміни, які необхідні для збалансованої функції клітини. Наявність декількох мутацій може надати спонтанним мутантам перевагу порівняно з тими, які були створені штучними методами генетичної інженерії. Це може бути пов'язано з тим, що природні мутації можуть краще адаптуватися до умов середовища, оскільки вони розвивалися під природними впливами. Такий підхід дозволяє ефективніше використовувати бактерії для виробництва корисних речовин, включаючи антибіотики. Такі мутанти можуть бути більш продуктивними. Проте, наукова література ще не надає порівняльного аналізу rpsL-мутантів різного походження з ідентичними мутаціями в цьому гені, що є перспективним напрямком для майбутніх досліджень [4].

Адаптивні мутації є ключовим механізмом, завдяки якому бактерії можуть швидко пристосовуватися до нових або стресових умов середовища. Вивчення цих мутацій базується на розумінні хромосомних моделей, зокрема, типовими прикладами є нонсенс-мутації в генах, які беруть участь у метаболічних шляхах синтезу та катаболізму амінокислот і вуглеводів.

У клітинах E. coli лактозний оперон (lac) та аналогічно регульований оперон ebg, який включає гени ebgR і ebgAC, відіграють важливу роль у метаболізмі. Ген ebgR кодує репресор, а ген ebgAC -- другу 0-галактозидазу. У випадку відсутності гена lacZ, але за наявності пермеази лактози, мутації в опероні ebg дозволяють бактерії рости на лактозному (Lac) середовищі або з іншими цукрами, такими як лактулоза (Lu). Мутації в гені ebgAC поділяються на два класи: мутації класу I (Lac+ Lu-) дозволяють ріст на лактозі, але не на лактулозі, тоді як мутації класу II (Lac+ Lu+) забезпечують ріст на обох цукрах. Ці мутанти можуть нормально рости тільки за наявності додаткової мутації в гені репресора ebgR, що призводить до дерепресії всього оперону та конститутивної експресії ферменту EbgAC.

Адаптивні мутації, що спостерігаються в цій системі, виникають в клітинах, які діляться дуже повільно, що вказує на те, що стрес, пов'язаний з повільним ростом, сприяє формуванню таких мутацій. Це є першим прикладом рецесивних адаптивних мутацій, які зачіпають гени-репресори.

Оперон bgl, відповідальний за розкладання р-глікозидів, таких як саліцин, у штамів E. coli KI 2 є неактивним через специфічні білки, які зв'язуються з регуляторною послідовністю гена bglR. Мутації, що активують оперон bgl, найчастіше спричиняються вставками елементів IS, таких як IS7 та IS5. Адаптивний мутагенез вивчається також за допомогою реверсійних мутацій у генах метаболічних шляхів тирозину, лейцину і триптофану у E. coli та гістидину у Salmonella typhimurium. Реверсійні мутації, наприклад, у генах trpA і trpB, дозволяють клітинам виживати в умовах дефіциту триптофану через накопичення проміжних метаболітів, що дозволяє виявити нові мутації [3].

Останні дослідження запропонували нову модель для вивчення адаптивних мутацій, що використовує реверсійні мутації в гені метаболічного шляху аргініну (argE30c) у E. coli. Ця модель дозволяє вивчати вплив мутацій в інших генах на рівень мутацій, пов'язаних з голодуванням, а також визначати специфічність мутацій Arg+ шляхом аналізу фенотипу та наявності супресорів.

Вивчення адаптивних мутацій і генетичних змін у бактеріальних популяціях є критично важливим для розуміння механізмів еволюції бактерій та розробки ефективних стратегій боротьби з антибіотикорезистентністю.

Дослідження на грибах, таких як Neurospora та Ophiostoma, показали, що гени контролюють біохімічні реакції, необхідні для біосинтезу клітинних компонентів, що є критичними для їхнього росту. Аналогічно, у бактерій біохімічні процеси керуються генами, які також схильні до мутацій. Ці мутації можуть відбуватися спонтанно, приводячи до змін у спадкових вимогах до росту бактерій. Бактерії, які виникають у складніших середовищах, часто втрачають деякі синтетичні здібності, що збільшує їхню залежність від зовнішніх джерел живлення. Це вказує на те, що в природних умовах може не відбуватися відбір проти таких мутантів або ж перевага надається природним мутантам, які адаптувалися до конкретних умов середовища. Генетичні зміни можуть впливати на їхню здатність синтезувати необхідні молекули, що, своєю чергою, впливає на їхні харчові потреби і здатність виживати в різних умовах. Це підтверджує важливість вивчення мутацій у бактеріальних популяціях для розуміння механізмів еволюції та адаптації мікроорганізмів [10].

Висновки

Дослідження показали, що в бактеріальних популяціях можуть виникати різні типи мутацій, включаючи точкові мутації, інсерції, делеції та хромосомні аберації. Ці мутації можуть виникати спонтанно або під впливом зовнішніх факторів, таких як хімічні мутагени та УФ-промені.

Виявлено, що адаптивні мутації допомагають бактеріям виживати в несприятливих умовах, таких як наявність антибіотиків. Ці мутації можуть змінювати структуру білків-мішеней, ефлюксних насосів і ферментів, що розщеплюють антибіотики, забезпечуючи стійкість до ліків.

Генетичні зміни, які виникають внаслідок мутацій, відіграють важливу роль в еволюції бактерій. Зміни в оперонах, таких як ebg і bgl у E. coli, показують, що мутації можуть сприяти розвитку нових метаболічних функцій та адаптації до різних субстратів.

Важливу роль у збереженні генетичної стабільності бактерій відіграють репараційні системи. Світлова та темнова репарації допомагають виправляти пошкодження ДНК, викликані мутагенами, зберігаючи життєздатність клітин.

Спонтанні мутації можуть значно підвищувати стійкість бактерій до антибіотиків, що становить серйозну проблему для лікування інфекцій. Вивчення цих мутацій допомагає зрозуміти механізми розвитку стійкості та розробляти нові підходи до боротьби з нею.

Отримані дані мають важливе значення для медицини та біотехнології. Вони можуть використовуватися для розробки нових стратегій боротьби з бактеріальними інфекціями та для оптимізації виробництва антибіотиків.

Таким чином, дослідження мутацій та генетичних змін у бактеріальних популяціях дозволяє глибше зрозуміти процеси адаптації та еволюції бактерій, а також знайти ефективні методи боротьби з антибіотикорезистентністю.

Література

1. An Efficient Strategy for Obtaining Mutants by Targeted Gene Deletion in Ophiostoma novo-ulmi / J.L. Sarmiento-Villamil et al. Frontiers in Microbiology. 2021. Vol. 12.

2. A reversible mutation in a genomic hotspot saves bacterial swarms from extinction / Hefetz et al. iScience. 2023. P. 106043.

3. Burkholder P.R., Giles N.H. Induced biochemical mutations in Bacillus Subtilis. American Journal of Botany. 1947. Vol. 34, №6. P. 345-348.

4. Culyba M.J., Van Tyne D. Bacterial evolution during human infection: Adapt and live or adapt and die. PLOS Pathogens. 2021. Vol. 17, №9. P. e1009872.

5. Devi P., Pontecorvo G., Higginbottom C. X-Ray Induced Mutations in Dried Bacteria. Nature. 1947. Vol. 160, №4067. P. 503-504.

6. ESI mutagenesis: a one-step method for introducing mutations into bacterial artificial chromosomes / A. Rondelet et al. Life Science Alliance. 2020. Vol. 4, №2. P. e202000836.

7. Kanode R., Chandra S., Sharma S. Application of bacterial reverse mutation assay for detection of non-genotoxic carcinogens. Toxicology Mechanisms and Methods. 2017. Vol. 27, №5. P. 376-381.

8. Kivisaar M. Mutation and Recombination Rates Vary Across Bacterial Chromosome. Microorganisms. 2019. Vol. 8, №1. P. 25.

9. Ruelens P., de Visser J.A. G.M. Clonal Interference and Mutation Bias in Small Bacterial Populations in Droplets. Genes. 2021. Vol. 12, №2. P. 223.

10. Unterberger-Heni E. Comparative evaluation of three methylene dianiline isomers in the bacterial reverse mutation assay, the in vitro gene mutation test, and the in vitro chromosomal aberration test. Toxicology and Industrial Health. 2022. P. 074823322109101.

References

1. Burkholder, P.R., & Giles, N.H. (1947). Induced biochemical mutations in bacillus subtilis. American Journal of Botany, 34(6), 345-348.

2. Culyba, M.J., & Van Tyne, D. (2021). Bacterial evolution during human infection: Adapt and live or adapt and die. PLOS Pathogens, 17(9), Стаття

3. Devi, P., Pontecorvo, G., & Higginbottom, C. (1947). X-Ray Induced Mutations in Dried Bacteria. Nature, 160(4067), 503-504.

4. Hefetz, I., Israeli, O., Bilinsky, G., Plaschkes, I., Hazkani-Covo, E., Hayouka, Z., Lampert, A., & Helman, Y. (2023). A reversible mutation in a genomic hotspot saves bacterial swarms from extinction. iScience, 106043.

5. Kanode, R., Chandra, S., & Sharma, S. (2017). Application of bacterial reverse mutation assay for detection of non-genotoxic carcinogens. Toxicology Mechanisms and Methods, 27(5), 376-381.

6. Rondelet, A., Pozniakovsky, A., Namboodiri, D., Cardoso da Silva, R., Singh, D., Leuschner, M., Poser, I., Ssykor, A., Berlitz, J., Schmidt, N., Rohder, L., Vader, G., Hyman, A.A., & Bird, A.W. (2020). ESI mutagenesis: a one-step method for introducing mutations into bacterial artificial chromosomes. Life Science Alliance, 4(2), Стаття e202000836.

7. Kivisaar, M. (2019). Mutation and Recombination Rates Vary Across Bacterial Chromosome. Microorganisms, S (1), 25.

8. Ruelens, P., & de Visser, J.AG. M. (2021). Clonal Interference and Mutation Bias in Small Bacterial Populations in Droplets. Genes, 12(2), 223.

9. Sarmiento-Villamil, J.L., de Oliveira, T.C., Naruzawa, E.S., & Bernier, L. (2021). An Efficient Strategy for Obtaining Mutants by Targeted Gene Deletion in Ophiostoma novoulmi. Frontiers in Microbiology, 12.

10. Unterberger-Heni, E. (2022). Comparative evaluation of three methylene dianiline isomers in the bacterial reverse mutation assay, the in vitro gene mutation test, and the in vitro chromosomal aberration test. Toxicology and Industrial Health

Размещено на Allbest.Ru