В биологии фазовая вариация — это метод работы с быстро меняющимися средами без необходимости случайной мутации. Она включает в себя вариацию экспрессии белка, часто в режиме включения-выключения, в разных частях бактериальной популяции. Таким образом, фенотип может переключаться с частотой, которая намного выше (иногда >1%), чем классические частоты мутаций. Фазовая вариация способствует вирулентности, создавая гетерогенность. Хотя она чаще всего изучалась в контексте уклонения от иммунного ответа , она наблюдается и во многих других областях и используется различными типами бактерий, включая виды Salmonella .
Сальмонеллы используют эту технику для переключения между различными типами белка флагеллина . В результате собираются жгутики с различными структурами. После того, как адаптивный ответ был установлен против одного типа флагеллина, или если предыдущая встреча сделала адаптивную иммунную систему готовой иметь дело с одним типом флагеллина, переключение типов делает ранее высокоаффинные антитела, TCR и BCR неэффективными против жгутиков.
Сайт-специфические рекомбинации обычно короткие и происходят в одном целевом сайте в пределах рекомбинирующей последовательности. Для того, чтобы это произошло, обычно есть один или несколько кофакторов (например, ДНК-связывающие белки и наличие или отсутствие сайтов связывания ДНК) и сайт-специфическая рекомбиназа . [1] Существует изменение в ориентации ДНК, которое повлияет на экспрессию гена или структуру продукта гена. [2] Это делается путем изменения пространственного расположения промотора или регуляторных элементов. [1]
Благодаря использованию специфических рекомбиназ определенная последовательность ДНК инвертируется, что приводит к переключению ВКЛ в ВЫКЛ и наоборот гена, расположенного внутри или рядом с этим переключателем. Многие виды бактерий могут использовать инверсию для изменения экспрессии определенных генов в интересах бактерии во время инфекции. [1] Событие инверсии может быть простым, включая переключение экспрессии одного гена, например, экспрессию пилина E. coli , или более сложным, включая несколько генов в экспрессию нескольких типов флагеллина S. typhimurium . [3] Фимбриальная адгезия фимбриями типа I в E. coli подвергается сайт-специфической инверсии для регулирования экспрессии fimA , основной субъединицы пилей, в зависимости от стадии инфекции. Инвертируемый элемент имеет внутри себя промотор, который в зависимости от ориентации будет включать или выключать транскрипцию fimA . Инверсия опосредована двумя рекомбиназами, FimB и FimE, и регуляторными белками H-NS, Integration Host Factor (IHF) и Leucine responsive protein (LRP). Рекомбиназа FimE способна только инвертировать элемент и переключать экспрессию с on на off, в то время как FimB может опосредовать инверсию в обоих направлениях. [4]
Если вырезание точное и исходная последовательность ДНК восстановлена, обратимая фазовая вариация может быть опосредована транспозицией . Фазовая вариация, опосредованная транспозицией, нацелена на определенные последовательности ДНК. [5] P. atlantica содержит локус eps , который кодирует внеклеточный полисахарид, и экспрессия ON или OFF этого локуса контролируется наличием или отсутствием IS492. Две рекомбиназы, кодируемые MooV и Piv, опосредуют точное вырезание и вставку, соответственно, элемента вставки IS492 в локус eps . Когда IS492 вырезается, он становится кольцевым внехромосомным элементом, что приводит к восстановлению экспрессии eps . [5] [6]
Другой, более сложный пример сайт-специфической перестройки ДНК используется в жгутиках Salmonella typhimurium . В обычной фазе последовательность промотора стимулирует экспрессию гена жгутика H2 вместе с репрессором гена жгутика H1. Как только эта последовательность промотора инвертируется геном hin, репрессор выключается, как и H2, позволяя экспрессироваться H1.
Генная конверсия — еще один пример типа фазовой вариации. Пили типа IV Neisseria gonorrhoeae контролируются таким образом. Существует несколько копий гена, кодирующего эти пили (ген Pil), но только одна экспрессируется в любой момент времени. Это называется геном PilE. Молчаливые версии этого гена, PilS, могут использовать гомологичную рекомбинацию для объединения с частями гена PilE и, таким образом, создавать другой фенотип. Это допускает до 10 000 000 различных фенотипов пили [ требуется цитата ] .
В отличие от других механизмов изменения фазы, эпигенетические модификации не изменяют последовательность ДНК, и поэтому изменяется фенотип, а не генотип. Целостность генома остается нетронутой, а изменение, вызванное метилированием, изменяет связывание факторов транскрипции. Результатом является регуляция транскрипции, приводящая к переключениям в экспрессии генов. [2] [5] Внешний мембранный белок антиген 43 (Ag43) в E. coli контролируется изменением фазы, опосредованным двумя белками, ДНК-метилирующим ферментом дезоксиаденозинметилтрансферазой (Dam) и регулятором окислительного стресса OxyR. Ag43, расположенный на поверхности клетки, кодируется геном Agn43 (ранее обозначаемым как flu ) и важен для биопленок и инфекции. Экспрессия Agn43 зависит от связывания регуляторного белка OxyR. Когда OxyR связывается с регуляторной областью Agn43 , которая перекрывается с промотором, он ингибирует транскрипцию. Фаза ON транскрипции зависит от метилирования Dam последовательностей GATC в начале гена Agn43 (который случайно перекрывается с сайтом связывания OxyR). Когда Dam метилирует сайты GATC, он ингибирует связывание OxyR, позволяя транскрипцию Ag43. [7]
В этой форме фазовой вариации. Промоторная область генома может перемещаться от одной копии гена к другой посредством гомологичной рекомбинации . Это происходит с поверхностными белками Campylobacter fetus . Несколько различных поверхностных антигенных белков молчат, за исключением одного, и все они имеют общую консервативную область на 5'-конце. Затем промоторная последовательность может перемещаться между этими консервативными областями и обеспечивать экспрессию другого гена [ требуется ссылка ] .
Неправильное спаривание проскользнувших нитей (SSM) — это процесс, который приводит к неправильному спариванию коротких повторяющихся последовательностей между материнской и дочерней цепями во время синтеза ДНК . [1] Этот независимый от RecA механизм может проявляться как во время репликации ДНК , так и во время репарации ДНК и может быть на ведущей или отстающей цепи. SSM может приводить к увеличению или уменьшению количества коротких повторяющихся последовательностей. Короткие повторяющиеся последовательности состоят из 1–7 нуклеотидов и могут быть гомогенными или гетерогенными повторяющимися последовательностями ДНК. [3]
Измененная экспрессия гена является результатом SSM и в зависимости от того, где происходит увеличение или уменьшение коротких повторяющихся последовательностей по отношению к промотору, будет регулироваться либо на уровне транскрипции, либо на уровне трансляции. [8] Результатом является фаза ВКЛ или ВЫКЛ гена или генов.
Регуляция транскрипции (нижняя часть рисунка) происходит несколькими способами. Один из возможных способов - если повторы расположены в области промотора в месте связывания РНК-полимеразы , -10 и -35 выше гена(ов). У условно-патогенного патогена H. influenzae есть два разнонаправленно ориентированных промотора и гена фимбрий hifA и hifB . Перекрывающиеся области промотора имеют повторы динуклеотида TA в последовательностях -10 и -35. Через SSM область повтора TA может подвергаться добавлению или вычитанию динуклеотидов TA, что приводит к обратимой фазе ON или фазе OFF транскрипции hifA и hifB . [ 3] [9] Второй способ, которым SSM индуцирует регуляцию транскрипции, - это изменение коротких повторных последовательностей, расположенных вне промотора. Если есть изменение в короткой повторной последовательности, это может повлиять на связывание регуляторного белка, такого как активатор или репрессор. Это также может привести к различиям в посттранскрипционной стабильности мРНК. [5]
Трансляция белка может регулироваться SSM, если короткие повторяющиеся последовательности находятся в кодирующей области гена ( верхняя часть рисунка). Изменение количества повторов в открытой рамке считывания может повлиять на последовательность кодонов путем добавления преждевременного стоп-кодона или изменения последовательности белка. Это часто приводит к укорочению (в случае преждевременного стоп-кодона) и/или нефункциональному белку.