الطفرة التكيفية

تتميز سلالة الإشريكية القولونية FC40 بمعدل طفرات مرتفع، مما يجعلها مفيدة في الدراسات، مثل دراسات الطفرات التكيفية. نتيجةً لطفرة إزاحة الإطار ، وهي تغيير في التسلسل يؤدي إلى ترميز الحمض النووي لشيء مختلف، تعجز سلالة FC40 عن معالجة اللاكتوز. عند وضعها في وسط غني باللاكتوز، وُجد أن 20% من الخلايا تحوّلت من Lac- (غير قادرة على معالجة اللاكتوز) إلى Lac+، أي أنها أصبحت قادرة على استخدام اللاكتوز في بيئتها. لا تكمن استجابات الإجهاد في الحمض النووي الحالي، بل يحدث التغيير أثناء تضاعف الحمض النووي من خلال إعادة التركيب وعملية التضاعف نفسها، مما يعني أن الطفرة التكيفية تحدث في البكتيريا الحالية وتُورَث للأجيال القادمة لأن الطفرة تصبح جزءًا من الشفرة الوراثية للبكتيريا. ^{[ 5 ]} يتضح هذا جليًا في دراسة أجراها كيرنز، والتي أظهرت أنه حتى بعد إعادة الإشريكية القولونية إلى وسط يحتوي على مستويات ضئيلة من اللاكتوز، استمر ظهور طفرات Lac+ كرد فعل للبيئة السابقة. ^{[ 1 ]} لم يكن هذا ليحدث لولا الطفرة التكيفية، لأن الانتخاب الطبيعي لن يُفضّل هذه الطفرة في البيئة الجديدة. ورغم وجود العديد من الجينات المشاركة في الطفرة التكيفية، فقد وُجد أن بروتين RecG يؤثر عليها. وُجد أن RecG بحد ذاته لا يؤدي بالضرورة إلى ظهور نمط ظاهري طفري. مع ذلك، وُجد أنه يثبط ظهور الخلايا العائدة (الخلايا التي تبدو طبيعية، على عكس تلك التي تحمل الطفرات قيد الدراسة) في الخلايا البرية . من جهة أخرى، كانت طفرات RecG أساسية لظهور الطفرات المعتمدة على RecA، والتي شكلت جزءًا رئيسيًا من الدراسة في تجارب استجابة SOS، مثل القدرة على استخدام اللاكتوز. ^{[ 6 ]}

أُعيد طرح نظرية الطفرة التكيفية عام ١٩٨٨ ^{[ ٧ ]} من قِبَل جون كيرنز ، الذي كان يدرس بكتيريا الإشريكية القولونية التي تفتقر إلى القدرة على استقلاب اللاكتوز . قام كيرنز بتنمية هذه البكتيريا في بيئات كان اللاكتوز فيها المصدر الوحيد للطاقة . وخلال ذلك، وجد أن معدل تطور قدرة البكتيريا على استقلاب اللاكتوز كان أعلى بكثير مما هو متوقع لو كانت الطفرات عشوائية تمامًا . وقد ألهمه هذا لاقتراح أن الطفرات التي حدثت كانت موجهة إلى الجينات المسؤولة عن استخدام اللاكتوز. ^{[ ٨ ]}

جاء دعم لاحق لهذه الفرضية من سوزان روزنبرغ، التي كانت تعمل آنذاك في جامعة ألبرتا ، حيث وجدت أن إنزيمًا يُدعى recBCD ، وهو إنزيمٌ مُشاركٌ في إصلاح الحمض النووي عن طريق إعادة التركيب ، كان ضروريًا للطفرات الموجهة التي لاحظها كيرنز وزملاؤه عام 1989. وقد طُعن في فرضية الطفرات الموجهة عام 2002، من خلال دراسة أظهرت أن هذه الظاهرة ناتجة عن فرط الطفرات العام بسبب تضخيم الجينات المُنتقاة، متبوعًا بالانتقاء الطبيعي، وبالتالي فهي عملية دارونية قياسية . ^{[ 9 ] [ 10 ]} إلا أن بحثًا لاحقًا من عام 2007 خلص إلى أن التضخيم لا يُمكن أن يُفسر الطفرة التكيفية، وأن "الطفرات التي تظهر خلال الأيام القليلة الأولى من انتقاء اللاكتوز هي طفرات ارتدادية حقيقية تنشأ في خطوة واحدة". ^{[ 11 ]}

تختلف هذه التجربة عن التجارب الأخرى في جانب بسيط: فهي تُعنى بالمسارات المؤدية إلى الطفرة التكيفية، بينما اختبرت التجارب الأخرى البيئة المتغيرة التي تتعرض لها الكائنات الدقيقة. استجابة SOS في بكتيريا الإشريكية القولونية هي استجابة لتلف الحمض النووي الذي يجب إصلاحه. يتوقف مسار دورة الخلية الطبيعية مؤقتًا، وقد تبدأ عملية التطفير . هذا يعني حدوث طفرات في محاولة لإصلاح التلف. تتطلب هذه الاستجابة، المعروفة باسم فرط الطفرات أو زيادة معدل التغير، وجود آلية تنظيمية، ومن الجزيئات الرئيسية في هذه العملية RecA و LexA . هذه بروتينات تعمل كإشارات مرور لهذه العملية وغيرها. ويبدو أنها أيضًا المساهم الرئيسي في الطفرة التكيفية في بكتيريا الإشريكية القولونية . وقد تبين أن التغيرات في وجود أحد هذين البروتينين تؤثر على استجابة SOS، والتي بدورها تؤثر على قدرة الخلايا على معالجة اللاكتوز ، وهو ما يجب عدم الخلط بينه وبين تجربة الحرمان من اللاكتوز. النقطة الأساسية التي يجب فهمها هنا هي أن كلاً من LexA و RecA كانا ضروريين لحدوث الطفرة التكيفية، وبدون استجابة SOS لن تكون الطفرة التكيفية ممكنة. ^{[ 1 ]}

أجرى فون بورستل، في سبعينيات القرن الماضي، تجارب مشابهة لتجربة نقص اللاكتوز على الخميرة، وتحديدًا خميرة ساكاروميسيس سيريفيسيا . اختبر وجود طفرات عكسية ناتجة عن نقص التربتوفان . لا تستطيع هذه الطفرات إنتاج التربتوفان بنفسها، بينما تستطيع الخلايا الطبيعية ذلك، وبالتالي تعود الطفرة العكسية إلى حالتها الطبيعية القادرة على إنتاج التربتوفان. وجد أنه عند نقل مستعمرات الخميرة من وسط غني بالتربتوفان إلى وسط فقير به، استمرت الطفرات العكسية في الظهور لعدة أيام. لم تكن نسبة ظهور الطفرات العكسية في الخميرة عالية كما هو الحال في البكتيريا. أجرى علماء آخرون تجارب مماثلة، مثل هول الذي اختبر الطفرات العكسية الناتجة عن نقص الهيستيدين ، وستيل وجينكس-روبرتسون اللذين اختبرا الليسين . تُظهر هذه التجارب كيف أن إعادة التركيب وتضاعف الحمض النووي ضروريان للطفرات التكيفية. مع ذلك، في الخلايا التي تم اختبارها على الليسين، استمرت إعادة التركيب حتى بدون اختيارها. وخلص ستيل وجينكس-روبرتسون إلى أن إعادة التركيب تحدث في جميع الظروف، سواء كانت تكيفية أم لا، في حين أن الطفرات لا توجد إلا عندما تكون مفيدة وتكيفية. ^{[ 1 ]}

على الرغم من أن إنتاج الطفرات أثناء الانتقاء لم يكن بنفس قوة ما لوحظ في البكتيريا، إلا أن هذه الدراسات مقنعة. وكما ذُكر سابقًا، تُعزز دراسة لاحقة النتائج المتعلقة بـ lys2 . فقد وجد ستيل وجينكس-روبرتسون ^{[ 12 ]} أن الخلايا الأولية التغذية LYS، نتيجةً لأحداث إعادة التركيب بين الكروموسومات، تستمر في الظهور حتى في الخلايا غير المنقسمة، ولكن في هذه الحالة، استمر إنتاج المُعاد تركيبه سواءً وُجد انتقاء لها أم لا. وبالتالي، لم تحدث الطفرة في الطور الثابت إلا عندما كانت تكيفية، بينما حدثت إعادة التركيب سواءً كانت تكيفية أم لا.

لوحظ أيضًا تأخر ظهور الطفرات في فطر المبيضات البيضاء . ^{[ 13 ]} مع التعرض المطول لتركيزات دون مميتة من المعادن الثقيلة، بدأت مستعمرات الخلايا المقاومة بالظهور بعد 5-10 أيام، واستمر ظهورها لمدة أسبوع إلى أسبوعين بعد ذلك. قد تكون هذه المقاومة ناتجة عن تضخيم الجينات، على الرغم من استقرار الأنماط الظاهرية خلال فترة قصيرة من النمو غير الانتقائي. ومع ذلك، ظهرت أيضًا طفرات عكسية لاثنين من الطفرات الغذائية ذات حركية مماثلة. لم يُثبت حتى الآن أن أيًا من هذه الأحداث في فطر المبيضات البيضاء خاص بالانتقاء المفروض.