Информации

Избор на лоза во еволуцијата на плазмидите

Избор на лоза во еволуцијата на плазмидите


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Читав низ Полсон (2002) и не сум сигурен што тој подразбира под „избор на лоза“ во вториот до последниот дел. Трудот се занимава со плазмидна репликација и најмногу се концентрира на контрастните притисоци од две нивоа на селекција:

  1. меѓуклеточна селекција - конкуренција помеѓу плазмидите во една клетка. Плазмидот може да претрпи цис-мутација и прекумерно да се реплицира, што резултира со повисока интраклеточна кондиција од фокалниот плазмид. Плазмидите се репродуцираат.
  2. меѓуклеточна селекција - натпревар помеѓу клетките. На клетките со поголемо оптоварување на плазмиди ќе им треба подолго време за да се репродуцираат, а на плазмидите кои произведуваат големо оптоварување ќе имаат пониска меѓуклеточна кондиција. Клетките што содржат плазмиди се репродуцираат.

Во овој контекст, што значи третото ниво на селекција -- избор на лоза --? Што се репродуцира? Како се разделуваат или комуницираат лозите?

Моја претпоставка

Дали изборот на лоза едноставно значи групна селекција на одделни колонии на клетки? Во тој случај, како се формираат нови лоза? Јас би очекувал ова групно ниво да избере нула нивоа на плазмиди (бидејќи тие не поставуваат оптоварување на клетките и на тој начин овие групи на клетки ќе растат најбрзо), но Paulsson (2002) го предлага спротивното:

изборот на лоза може да ги фаворизира плазмидните особини кои и помагаат на популацијата на клетки кои содржат плазмиди да се борат против клетките без плазмиди.

Дали има подетални дискусии за ова достапни од еден дел во Полсон (2002)? Ниту единицата за селекција, ниту еволуциската или генетската лоза написите на Википедија не го решаваат моето прашање. Првата само попатно ја спомнува лозата, а вторите две не разговараат за моделите на селекција.


Референци

Paulsson, J. (2002). Повеќестепен избор на плазмидна репликација. Генетика, 161(4): 1373-1384.


Тој го дефинира изборот на лоза како избор за особини кои ја зголемуваат способноста на група плазмиди, наместо индивидуален плазмид со во клетка или одредена клетка која содржи плазмиди. Тој вели дека единицата за селекција се „кладовите на плазмидот-домаќин“: со други зборови, единицата на селекција е групата на тесно поврзани плазмиди во посебни ќелии. Тоа е пример за роднински избор иако специфичната терминологија не сум ја видел во широка употреба. Тој веројатно не користи роднинска селекција бидејќи плазмидите немаат добро дефинирано потомство, па затоа користи поширок термин за роднина - лоза. Можеби претпочитав избор на клад, но овој термин има свој багаж. Не сум сигурен (и не е ниту Полсон) дека селекцијата на роднините треба да ги објасни стапките на „застрашувачки ниски загуби“, бидејќи и интраклеточната и меѓуклеточната селекција фаворизираат пониски стапки на загуби.


Хромозомско баркодирање на Ешерихија коли популациите ја откриваат динамиката на разновидноста на лозата при висока резолуција

Еволутивната динамика кај големите асексуални популации е под силно влијание на повеќе конкурентни корисни лози, од кои повеќето се сегрегираат на многу ниски фреквенции. Сепак, техничките бариери за следење на голем број од овие ретки лоза кај бактериските популации досега спречија детално разјаснување на еволутивната динамика. Овде, ние ја надминуваме оваа пречка развивајќи техника на хромозомско-баркодирање која овозможува истовремено следење на приближно 450.000 различни лоза во Ешерихија коли, кој го користиме за тестирање на ефектот на суб-инхибиторните концентрации на вообичаените антибиотици врз еволутивната динамика на лоза со ниска фреквенција. Откривме дека популациите ја губат разновидноста на лозата со различни стапки што одговараат на нивниот антибиотски режим. Ние, исто така, утврдуваме дека некои лоза имаат слична судбина низ независните експерименти. Со анализа на динамиката на траекторијата, ние ги припишуваме репродуктивните судбини на овие лоза на присуството на веќе постоечки корисни мутации и покажуваме како релативниот придонес на веќе постоечките и de novo мутации варира во режимите на лекови. Конечно, ја репродуцираме набљудуваната динамика на лозата со симулации. Севкупно, нашите резултати обезбедуваат вредна методологија за проучување на бактериската еволуција, како и увид во еволуцијата под суб-инхибиторни нивоа на антибиотици.


Вовед

Плазмидите се дополнителни генетски елементи способни да се пренесуваат хоризонтално помеѓу бактериите. Тие носат гени кои му помагаат на нивниот домаќин да се прилагоди на новите ниши и стресови, играјќи клучна улога во бактериската еволуција. 1 Плазмидите често ги кодираат гените за отпорност на антибиотици, кои се одговорни за ширење на отпорност на антибиотици и мултирезистенција меѓу патогените бактерии, што во моментов е главна грижа за јавното здравје. 2,3

Едно од централните прашања за биологијата на плазмидите е како плазмидите можат стабилно да се одржуваат во популациите на бактерии на долг рок. 4 Ова е предизвик да се разбере поради факторите кои го попречуваат опстанокот на плазмидите. Поточно, (i) плазмидите произведуваат трошок за бактериите домаќини, 5 предизвикувајќи конкурентна неповолност и (ii) плазмидите може да се изгубат за време на клеточната делба (дури и ако тоа е со многу ниска стапка). 6 Земени заедно, овие 2 фактори предвидуваат постојан пад на плазмидната фреквенција кај популацијата со текот на времето. 7 Сепак, постојат фактори кои се спротивставуваат на ефектот на трошоците и сегрегациските загуби и придонесуваат за одржување на плазмидот кај бактериските популации, како што се (i) избор за плазмидно кодирани карактеристики, (ii) хоризонтален трансфер на плазмидот помеѓу бактериите (главно со конјугација ) и (iii) компензаторни мутации кои го ублажуваат трошокот произведен од плазмидот. 4,8 Рамнотежата меѓу сите овие фактори ја одредува судбината на даден плазмид во бактериска популација. 9

Претходните теоретски студии тврдеа дека плазмидите може да се одржуваат во бактериска популација само кога тие се способни да се конјугираат. 8,10,11 Сепак, неодамнешниот напредок во секвенционирањето на геномот покажа дека, парадоксално, голем дел од плазмидите се чини дека се “непреносливи” со конјугација според нивната секвенца. 12 Механизмите кои дозволуваат непреносливи плазмиди да опстојуваат се слабо разбрани. Во една неодамнешна студија користевме математичко моделирање, функционална геномика и експериментална еволуција за да го истражиме овој проблем. 13 Развивме модел систем заснован на опортунистичкиот патоген Pseudomonas aeruginosa PAO1 го носи малиот не-коњугативен плазмид pNUK73, кој произведува особено големи трошоци за фитнес во овој вид (приближно 20% намалување на релативната кондиција). pNUK73 дава отпорност на неомицин, предизвикувајќи зголемување на минималната инхибиторна концентрација (MIC) од приближно 60 пати во PAO1. По 30 дневни пасуси (300 генерации) субпопулацијата што носи плазмиди претстави компензаторни мутации кои целосно ги компензираа трошоците за превоз на плазмиди. Овие мутации наводно инактивираа 3 одредени хромозомски гени: хеликаза која носи C-терминален домен на хеликаза сличен на UvrD (PA1372) и 2 соседни наводни серин/треонин протеин кинази (PA4673.15 и PA4673.16).

Сепак, субпопулацијата без плазмиди исто така се прилагодуваше на условите на животната средина и затоа нивната кондиција исто така се зголеми во однос на родителскиот вид. Ова се должи на стекнувањето на генерално корисни мутации за адаптација на лабораториските услови. Овие мутации го таргетираа првенствено генот дигуанилат циклаза wspF (PA3703) во нашиот експериментален систем. Така, лозата што носи плазмиди продолжи да исчезнува, иако со побавна брзина. Како резултат на тоа, големината на популацијата на лозата што носи плазмиди беше премногу мала за да се поправат генерално корисните мутации. Сепак, популациите што носат плазмиди може да се спасат со додавање на антибиотици. Ова доведе до зголемување на големината на популацијата на клетките кои носат плазмиди, што овозможи да се поправат генерално корисни мутации. Затоа, откривме дека позитивната селекција и компензаторната адаптација комуницираат за да го стабилизираат pNUK73: позитивната селекција ја зголемува веројатноста за компензаторна адаптација со зголемување на големината на популацијата на лоза кои носат плазмиди, што ги подобрува шансите за нови адаптивни мутации во клетките што носат плазмиди. Компензаторната адаптација, пак, го зголемува ефектот на позитивната селекција врз стабилноста на плазмидот со забавување на брзината со која плазмидот се губи помеѓу епизодите на позитивна селекција.

Нашите претходни резултати покажуваат дека компензацијата и позитивната селекција помагаат да се стабилизираат непреносливите плазмиди во текот на неколку стотици генерации. Сепак, долгорочното одржување на овие плазмиди останува предизвик за разбирање. 13.


Резултати

МОДЕЛ

Сметаме популација која се состои од клетки кои можат да бидат или хромозомски отпорни или хромозомски чувствителни ( или ), без плазмид, отпорен плазмид или чувствителен плазмид (, , или ). Ова доведува до шест можни типови на клетки: , , , , , и (првата буква го означува хромозомот, втората буква плазмидот).

Започнуваме со развивање на модел на динамиката на овие ќелии (сл. 1) и ја означуваме густината на секој тип на клетка со . Клетките се реплицираат со брзина . Конкуренцијата помеѓу клетките се доловува преку стапката на смртност зависна од густината , каде е вкупната густина на клетките (). Плазмидите се шират преку пренос зависен од густината помеѓу клетките со брзина и се губат при репликација на клетките со веројатност (губење на сегрегацијата). Плазмидниот превоз е поврзан со трошоците за фитнес , што ја намалува стапката на репликација со фактор од . Претпоставуваме дека клетките можат да бидат инфицирани само со еден плазмид во исто време. Клетки без отпор ( и ) искусете дополнителна стапка на смртност од изложеност на антибиотици. Отпорот е поврзан со трошоците за фитнес, што ја намалува стапката на репликација за фактор од . Претпоставуваме дека гените за отпор имаат исти трошоци за фитнес и иста ефикасност без разлика дали се хромозомски или плазмидни. Клетките кои имаат и хромозомска и плазмидна отпорност имаат двојна фитнес цена . Ефектот од менувањето на овие претпоставки е истражен во придружните информации (Дел 2). Нашите главни резултати се генерално силни, со чувствителност нагласени во главниот текст.

Шема на моделираната динамика (ек. 1). Секој сив круг претставува тип на клетка, при што внатрешните кругови го претставуваат хромозомот (голем) и плазмидот (мал), со што означува отпор и чувствителност. Стрелките укажуваат на моделирани процеси: репликација на клетките (темно сина), смрт (виолетова), пренос на плазмид (портокалова) и губење на сегрегација (светло сина). Етикетите укажуваат на брзината со која се случуваат овие процеси. укажува на густината на типот на клетката, па е вкупната густина на клетките (), е вкупната густина на клетките со отпорен плазмид (), и е вкупната густина на клетките со чувствителен плазмид (). е стапката на репликација стапката на смртност зависна од густината стапката на смртност поврзана со антибиотици стапката на трансмисија на плазмидот веројатноста за губење на сегрегацијата цената на плазмидниот превоз и трошоците за носење на генот за отпор. (1)

Параметрите на моделот се сумирани во Табела 1. Очекуваме вредностите на параметрите (т.е. стапки и трошоци) значително да се разликуваат во зависност, на пример, од бактерискиот вид, видот на плазмидот, антибиотикот и околината. Нашата цел е квалитативно да го разбереме однесувањето на генерализираниот систем, наместо да правиме квантитативни предвидувања за одреден систем. Затоа, истражуваме широк опсег на вредности на параметрите (Поддршка на информации, дел 1) наместо да избираме параметри за да одразуваат одреден систем.

Параметар Дефиниција Димензии Главна вредност на текстот (опсег SI) Бистабилност кога
Стапка на репликација Време −1 1 (0.5, 2) Високо
Стапката на смртност Волуменски ќелии −1 време −1 1 (0.5, 2) Ниско
Стапката на смртност поврзана со антибиотици Време −1 1 (0, 2) Ниско
Цена на отпорност на антибиотици Бездимензионални 0.05 (0, 0.5) Високо
Цена на плазмидниот превоз Бездимензионални 0.075 (0, 0.5) Ниско
Стапка на трансмисија на плазмид Волуменски ќелии −1 време −1 0.2 (0, 0.25) Високо
Губење на сегрегацијата Бездимензионални 0.005 (0, 0.1) Ниско
  • Забелешка: Поконкретно, петтата колона означува дали регионот на бистабилност (каде отпорот може да биде или плазмиден или хромозомски) се јавува при високи или ниски вредности на параметрите во споредба со регионот каде што само хромозомскиот отпор е еволутивно стабилен (види Помошни информации, дел 1) . Параметарските единици се произволни. Главните вредности на текстот се избрани за најдобро да се илустрира опсегот на еволутивни стабилни исходи.

ЕВОЛУЦИОНАТА СТАБИЛНОСТ НА ПЛАЗМИДНАТА И ХРОМОЗОМСКАТА ОТПОРНОСТ

Ние сме заинтересирани за еволутивната стабилност на отпорноста на хромозомите и плазмидите, односно дали воспоставениот хромозомски отпор може да се помести со отпорот што се пренесува преку плазмидата и обратно. Ги одредуваме регионите на параметрите во кои секој тип на отпор е стабилен (слика 2, и S1 и S2) користејќи линеарна анализа на стабилност (види Методи). Под условите за избор на отпор, набљудуваме три однесувања: еволутивна стабилност на хромозомите - но не преку плазмидите - отпорност на еволутивна стабилност на плазмидната - но не и хромозомска - отпорност и еволутивна стабилност на двете форми на отпор. Во овој трет регион, отпорот се јавува или на плазмидот или на хромозомот, но не и на двата: имањето и хромозомска и плазмидна отпорност ја зголемува цената на отпорот додека не обезбедува дополнителна корист.

Еволутивна стабилност на плазмидната и хромозомска отпорност. Боите покажуваат која форма на отпор е еволутивно стабилна: само хромозомски отпор (портокалова) само плазмидна отпорност (сина) или која било (виолетова). Кога отпорот е хромозомски, чувствителниот плазмид може да биде присутен или отсутен од популацијата (темно наспроти светло портокалово). Во белиот простор во левиот панел, ниту една форма на отпор не е стабилна (популацијата е чувствителна на антибиотици). Вредностите на параметрите се: , , . За левиот панел = 0,075 и . За десниот панел и . На сликите S1 и S2 се прикажани резултати за повеќе параметаризации. Забележете дека во параметарскиот простор каде отпорот е корисен, може да биде или суштински (: антибиотски осетливи клетки не се одржливи, дури и во отсуство на конкуренција од резистентни клетки) или несуштински. Оваа разлика не влијае на нашите резултати (Сл. S1 и S2).

Само хромозомски отпор

Кога само хромозомскиот отпор е еволуциски стабилен, гените за отпор секогаш ќе завршат на хромозомот во текот на еволутивната временска скала. Плазмидот или ќе биде чувствителен или отсутен од популацијата. Општо земено (Табела 1 и Сл. S1 и S2), хромозомската резистенција е единствениот еволуциски стабилен исход кога користа од отпорноста е висока (висока смртност поврзана со антибиотици, ниска цена на отпорност) кога способноста на плазмидот е ниска (ниска стапка на пренос на плазмид, висока загуба на сегрегација, висока цена на плазмидот) и кога вкупната густина на клетките е мала (висока стапка на смртност, ниска стапка на репликација).

Отпорност само на плазмида

Кога отпорот што се пренесува преку плазмидот е еволуциски стабилен, гените за отпор секогаш ќе завршат на плазмидот. Забележете дека во овој регион, хромозомската резистенција воопшто не е стабилна (сл. S12): тој претставува регион во кој гените за отпор можат да опстојуваат само кога хоризонтално се пренесуваат (van Dijk et al. 2020 година). Овој исход се јавува само под многу специфични услови (мал простор за параметри, кога отпорноста дава само мала придобивка за фитнес, Сл. 2) и неговото присуство е чувствително на структурата на моделот (на пр., како се моделира антибиотскиот ефект види Сл. S7). Затоа, не го сметаме ова за еколошки веродостојно објаснување зошто гените за отпор се наоѓаат на плазмидите.

Бистабилност

Кога и двете рамнотежи се еволуциски стабилни, отпорот може да биде или хромозомски или плазмиден во зависност од почетните услови. Откако ќе се воспостави едната форма на отпор, таа повеќе не може да биде поместена од другата.

За понатамошно испитување на зависноста од почетните услови, го симулираме системот нумерички, почнувајќи од различни почетни густини на клетките (види Методи). Разгледуваме сценарио со почетна популација која се состои од резистентни клетки и чувствителни клетки (сл. 3). Ние ја менуваме (i) почетната фреквенција на чувствителниот плазмид во чувствителната популација (ii) почетната фреквенција на хромозомската наспроти отпорноста која се пренесува преку плазмидот кај резистентната популација и (iii) дали хромозомски отпорните клетки го носат чувствителниот плазмид. Резултатите од овие симулации (слики 3 и S3 и S4) даваат увид во еволутивните притисоци кои ја одредуваат локацијата на гените за отпорност на три начини.

Ефектот на почетните услови врз рамнотежната локација на генот за отпор, покажувајќи еволутивен исход зависи и од почетната фреквенција на плазмидната и хромозомската резистенција и од почетната фреквенција на осетливиот плазмид. Панелите од левата страна илустрираат варијација во почетните услови. Панелите од десната страна илустрираат дали плазмидната (сина) или хромозомската отпорност (портокалова) е забележана при рамнотежа. На x-оската ја означува фреквенцијата на осетливиот плазмид во почетната сензитивна популација . На y-оската ја покажува фреквенцијата на плазмидната отпорност во почетната отпорна популација за панелот А, за панелот Б. Отпорноста на плазмидата е потипичен исход во панелите Б отколку А поради присуството на чувствителниот плазмид во почетната хромозомски отпорна популација во панелот А. Вкупните густини на почетната чувствителна и резистентна популација се и 1. (Променувањето на почетниот сооднос на отпорност кон чувствителноста не влијае на квалитативните резултати - Сл. S3). Вредностите на параметрите се како што следува: , , , = 0.075, , , и .

Прво, присуството на позитивна селекција зависна од фреквенцијата: отпорноста што се пренесува преку плазмидата е потипичен исход кога почетната фреквенција на отпорноста што се пренесува преку плазмидот е висока во споредба со фреквенцијата на хромозомскиот отпор. Слично на тоа, високата почетна фреквенција на отпорност на хромозомите, во споредба со отпорноста на плазмидите, води до хромозомска резистенција како еволутивен исход. Според тоа, способноста на еден вид отпор е во позитивна корелација со неговата фреквенција. Оваа зависност од фреквенцијата се јавува затоа што ќелиите со двојна отпорност се помалку прилагодени од ќелиите со која било форма на единечен отпор: двојниот отпор предизвикува дополнителен трошок за фитнес, но не обезбедува дополнителна фитнес придобивка.Колку е поголема фреквенцијата на хромозомскиот отпор, толку е поголема веројатноста дека отпорен плазмид ќе зарази хромозомски отпорна (наместо хромозомски чувствителна) клетка. Ова го нарушува отпорниот плазмид. Слично на тоа, колку е поголема фреквенцијата на отпорниот плазмид, толку е поголема веројатноста хромозомски отпорната клетка да биде инфицирана со отпорниот плазмид. Ова го нарушува отпорниот хромозом. Така, колку е почеста формата на отпор, толку е поголема нејзината кондиција во споредба со другата форма.

Второ, еволутивниот исход зависи и од фреквенцијата на чувствителниот плазмид. Плазмидната отпорност има корист од тоа што чувствителниот плазмид е редок: отпорноста што се пренесува преку плазмидот е потипичен исход кога почетната хромозомски отпорна популација не го носи чувствителниот плазмид и кога фреквенцијата на плазмидот кај чувствителната популација е мала. Тоа е затоа што ниската почетна фреквенција на осетливиот плазмид значи дека отпорот што се пренесува преку плазмидот може да се шири и вертикално (репликација на клетки) и хоризонтално (плазмиден пренос), што му овозможува да ја зголеми фреквенцијата побрзо од хромозомскиот отпор.

Трето, севкупната, хромозомската резистенција е потипичен исход во овие симулации отколку отпорноста што се пренесува преку плазмидите. Тоа е затоа што отпорноста што се пренесува преку плазмидите, за разлика од хромозомската резистенција, е предмет на губење на сегрегацијата: таа не секогаш се наследува за време на клеточната репликација. Навистина, зголемувањето на веројатноста за губење на сегрегацијата го фаворизира хромозомскиот отпор (сл. S4).

РОБУСТНОСТ НА РЕЗУЛТАТИТЕ

Ја тестираме робусноста на овие резултати со голем број претпоставки за структурата на моделот (види Методи и придружни информации Дел 2). Општиот резултат е дека присуството на бистабилност е робусно, иако големината на областа на бистабилност може да се промени. Единствената клучна претпоставка за зависноста од позитивна фреквенција е дека двојниот отпор е помалку корисен од единечниот отпор (Сл. S5 и S6). Со други зборови, елиминирањето на дополнителниот трошок од двојниот отпор, или зголемувањето на користа од двојниот отпор толку многу што го надминува овој дополнителен трошок, го укинува регионот на бистабилност. Под овие околности, доминира двојниот отпор (т.е., популацијата ќе се состои од отпорен плазмид кој циркулира во хромозомски отпорна популација).

Особено вреди да се истакнат резултатите од две анализи на чувствителност. Прво, нашите резултати се цврсти за вклучување на генскиот тек помеѓу плазмидот и хромозомот (на пр., транспозиција на генот за отпор). Протокот на генот овозможува инаку исклучената форма на отпор да опстојува на ниска фреквенција (аналогно на балансот на избор на мутација) и го зголемува опсегот на почетни услови што доведуваат до хромозомска резистенција (сл. S8). Сепак, овие ефекти стануваат суштински само за нереално високите стапки на транспонирање (Поддршка на информации Дел 2.4) (Sousa et al. 2013). Второ, присуството на бистабилност е цврсто за моделирање на флуктуирачки, наместо константен, антибиотски притисок. Во зависност од неговиот период, флуктуацијата може да го фаворизира отпорот што се пренесува преку плазмидата, зголемувајќи ја големината на параметарскиот простор во кој само отпорот што се пренесува преку плазмидот е еволутивно стабилен (сл. S10).

ОДНОС СО ПРЕТХОДНИ РЕЗУЛТАТИ ОД МОДЕЛИРАЊЕТО

Следно, повторно разгледуваме некои претходни резултати од моделирањето. Како што беше дискутирано во воведот, претходното моделирање предвидува дека локално корисните особини ќе бидат пренесени преку плазмидите наместо хромозомски, со што се обезбедува комплементарна хипотеза за тоа зошто одредени гени живеат на плазмидите (Bergstrom et al. 2000). Сепак, моделот од кој е изведено ова предвидување претпоставува отсуство на плазмидот надвор од локалната ниша. Затоа, прашуваме дали локалната адаптација ја фаворизира отпорноста што се пренесува преку плазмидот, ако чувствителниот плазмид може да опстојува надвор од локалната ниша. Ние го модифицираме нашиот модел за да вклучи прилив на чувствителни клетки и ја менуваме фреквенцијата на чувствителниот плазмид во овие дојдовни ќелии (Поддршка на информации Дел 3). Ова одговара на сценарио во кое отпорот е локално корисен во моделираната средина, но не е избран за на друго место. Како што е прикажано на Слика 4, приливот на чувствителни клетки без чувствителниот плазмид навистина ја фаворизира плазмидната отпорност, како што беше предложено претходно (Bergstrom et al. 2000). Сепак, приливот на чувствителни клетки со чувствителниот плазмид ја фаворизира хромозомската резистенција. Јачината на овој ефект зависи од стапката на прилив на чувствителни клетки. Така, локалната адаптација ја фаворизира отпорноста што се пренесува преку плазмидот само ако фреквенцијата на осетливиот плазмид е ниска надвор од локалната ниша.

Локацијата (хромозомска или плазмидна) на локално корисен ген за отпор зависи од присуството на чувствителниот плазмид во имигрантските клетки. Почетната популација е целосно отпорна (со хромозомски отпорни клетки кои го носат чувствителниот плазмид, што одговара на панелот А на слика 3), со y-оска што укажува на фреквенцијата на плазмидната отпорност кај оваа почетна популација . На x-оската ја означува фреквенцијата на осетливиот плазмид во имигрантските клетки. Присуството на плазмидот во овие имигрантски клетки ја фаворизира хромозомската резистенција. Високата стапка на прилив е , ниската стапка на прилив е . Други вредности на параметрите се: , , , = 0.075, , , и .

Второ, повторно ги разгледуваме резултатите кои се однесуваат на плазмидната перзистенција. Претходната работа на моделирање сугерираше дека ако кондицијата на плазмидите е премногу ниска за плазмидите да опстојуваат како чисти паразити (т.е. без да носат гени корисни за клетката домаќин), корисните гени секогаш ќе се лоцираат на хромозомот наместо на плазмидот (во отсуство на локална адаптација Бергстром et al. 2000). Така, упорноста на плазмидите со ниска преносливост е парадокс: тие не можат да се одржуваат без корисни гени, но корисните гени не можат да се одржуваат на овие плазмиди (Bergstrom et al. 2000).

Ние го тестираме ова предвидување во нашиот модел (како што е детално опишано во делот 4 за поддршка на информации) со споредување на просторот на параметрите во кој отпорноста што се пренесува преку плазмидот е еволутивно стабилна (т.е. гените за отпор може да се лоцираат на плазмидот дури и во присуство на конкуренција од хромозомската резистенција) со параметарскиот простор во кој паразитски плазмид може да опстојува (т.е. чувствителен плазмид може да опстојува во хромозомски чувствителна популација). Откривме дека претходните резултати не важат за структурата на моделот претставена овде: гените за отпор може да се лоцираат на плазмидот наместо на хромозомот дури и ако плазмидната трансмисибилност е премногу мала за плазмидот да опстојува како паразит (сл. S11). Ова имплицира дека во теорија, можно е да има плазмиди со ниска преносливост кои опстојуваат чисто поради предноста што ја обезбедуваат на клетките домаќини. Сепак, вреди да се напомене дека параметарскиот простор во кој се случува ова е мал (сл. S11).

СТАПКАТА НА СТЕКНУВАЊЕ ЈА ОДРЕДУВА ЛОКАЦИЈАТА НА ГЕНИТЕ НА ОТПОРНОСТ

Досега, нашите резултати покажуваат дека за умерено корисни гени (т.е. оние во регионот на бистабилни параметри), присуството на позитивна селекција зависна од фреквенцијата значи дека отпорноста што се пренесува преку плазмидот може да биде еволутивно стабилна и покрај загубата на сегрегација. Оваа селекција зависна од фреквенцијата сама по себе не е доволно објаснување зошто гените за отпор се пренесуваат преку плазмидите. Сепак, тоа сугерира дека која било форма на отпор (плазмидна или хромозомска) се стекнува прва, најверојатно ќе се воспостави кај популацијата: ако првата форма на отпор има време да се зголеми во густина пред стекнувањето на другата форма, поголема фреквенција ќе му даде фитнес предност. Првиот тип на отпор не мора да достигне фиксација за да ја спречи инвазијата од другиот: предноста зависна од фреквенцијата е доволно силна дури и при ниски фреквенции на целокупниот отпор (сл. S13). Затоа, кога стапката на стекнување отпор е ниска во споредба со стапката на зголемување на фреквенцијата на отпорот штом се стекне, првата форма на отпор ќе опстојува.

Така, присуството на гени на отпорност на плазмидите може да се објасни со тоа што стапката на стекнување на отпорот што се пренесува преку плазмидите е повисока од стапката на стекнување на хромозомската резистенција. Навистина, стапките на конјугативен плазмиден трансфер се генерално повисоки од стапките на хромозомски хоризонтален трансфер на гени (една проценка, базирана на споредба на експериментални мерки, укажува на редот на повисоко, иако ова е веројатно многу зависно од контекстот Nazarian et al. 2018 година). Понатаму, за голем број бактериски видови, примарниот механизам на стекнување на генот за отпор навистина се смета дека е меѓувидовиот трансфер на плазмиди кои носат отпорност (Baker et al. 2018 MacLean and San Millan 2019).

За да ја формализираме оваа идеја, развиваме едноставен модел на стекнување отпор во повеќе видови (сл. 5 и дел „Методи“). Ние моделираме вид ген за отпорност кој е корисен кај сите видови и плазмид што може да се пренесе помеѓу и да опстојува кај сите видови (или затоа што има широк опсег на домаќин или затоа што неговиот опсег може да се помести или прошири по трансферот Loftie-Eaton et al. 2016 ). Отпорот може да биде или плазмиден или хромозомски. Штом видот ќе добие една форма на отпор, оваа форма на отпор станува воспоставена и повеќе не може да се замени (поради позитивната селекција зависна од фреквенцијата). Претпоставуваме дека гените за отпор се појавуваат само de novo на хромозомот (со брзина ). Генот може да се шири преку меѓувидовиот хоризонтален трансфер на хромозомската резистенција (на пр., трансформација) (со брзина ), или меѓувидовиот пренос на плазмидите на отпорност (со брзина ). Претпоставуваме дека генот може да се движи помеѓу плазмидот и хромозомот со ниски стапки, што овозможува инаку исклучената форма на отпор да опстојува на ниска фреквенција. Ние не го моделираме експлицитно овој соживот, туку го моделираме хоризонталниот пренос на формата со ниска фреквенција (по стапка за плазмидна отпорност и брзина за хромозомска отпорност, каде е фреквенцијата на формата со ниска фреквенција).

Преваленца на плазмидна отпорност. Панел А: Претставување на структурата на моделот. претставува вид без ген за отпорност видови со ген за отпорност на плазмидот видови со ген за отпорност на хромозомот. е брзината со која се јавува отпор преку мутација брзината со која плазмидната отпорност се пренесува помеѓу видовите брзината со која се пренесува отпорноста на хромозомите помеѓу видовите и го доловува генскиот тек помеѓу плазмидот и хромозомот. Панел Б: Пропорцијата на отпорност на плазмид зависи од бројот на симулирани видови и односот на брзината на меѓувидовиот пренос на хромозомот () и плазмиден ген (). Хоризонталните испрекинати линии го покажуваат максималниот дел од отпорноста на плазмидот, со оглед на тоа што отпорот прво мора да се појави на хромозомот (). Лентите за грешка претставуваат 95% интервали на доверба, врз основа на 1000 реализации. Параметрите беа: , и . Резултатите за алтернативните параметри се прикажани на Слика S14.

Ние го симулираме овој систем стохастично (видете го делот „Методи“), почнувајќи од тоа што ниеден вид нема ген за отпорност. Слика 5 го покажува делот на видовите со плазмидна отпорност откако генот ќе се прошири на сите видови. Како што се очекуваше, процентот на видови со плазмидна отпорност се зголемува со брзината на меѓувидовиот плазмиден трансфер. Покрај тоа, оваа пропорција исто така се зголемува со бројот на моделирани видови. Овој ефект се јавува поради две причини. Прво, првичниот de novo изглед на генот мора да биде на хромозомот. Така, на пример, кога се моделираат само два вида, отпорноста на плазмидите може да се појави само кај еден од двата вида. Второ, влијанието на стапката на пренос меѓу видовите се зголемува со бројот на потенцијални видови донори. Овие резултати се цврсти за различна параметаризација (сл. S14).


Еволуција во бактериски плазмиди и нивоа на селекција

Протокот на гените помеѓу различни репродуктивни, како што се бактериските плазмиди и хромозоми, претставува невообичаени проблеми за еволутивна анализа. Многу повеќе отколку кај еукариотите, репродуктивните предности на неколку нивоа на селекција - гени, транспозони, плазмиди, клетки и клонови - мора да се земат истовремено за да се разбере еволуцијата на плазмидите. Ниту едно ниво постојано не преовладува во конфликтни ситуации, а некои репродуктивни единици носат гени кои ја ограничуваат нивната сопствена репродукција или опстанок, очигледно за да ја подобрат репродукцијата или опстанокот на репродуктивните единици на повисоко ниво што ги носат. И покрај генскиот проток помеѓу плазмидите и хромозомите, гените за одредени функции покажуваат силни тенденции да се појават на плазмидите додека други постојано се појавуваат на хромозомите. Функциите генерално поврзани со плазмидите се различни, но сите се корисни само во локално ограничени контексти, се тврди дека селективните последици од поголемото хоризонтално (во рамките на генерацијата) пренос на плазмидите се одговорни за оваа шема. Тенденцијата транспозоните на прокариоти, кои се исто така хоризонтално подвижни, да носат гени слични на оние вообичаено на плазмидите го поддржува овој аргумент. Очигледните трендови кај еукариотските плазмиди и транспозони да немаат исти знаци, исто така, се совпаѓаат со предвидувањата на хипотезата за локалната адаптација, бидејќи гените на овие генетски единици генерално не се хоризонтално подвижни од хромозомските гени. Постојат теоретски причини да се очекува дека плазмидните гени имаат тенденција да се развиваат побрзо од хромозонските гени.


Резултати

Постоење на карактеристични броеви на копии

Започнуваме со фокусирање на нашето внимание на една клетка која содржи популација на плазмиди кои се идентични во однос на нивниот профил на репликација. Првично ја игнорираме стохастичката природа на репликацијата и клеточната делба и сметаме дека бројот на копијата е континуирана променлива, со растот на домаќинот и бројот на копијата опишани со детерминистички диференцијални равенки (види Равенки 1 и 2 во Дополнителен текст S1). Нашиот модел ни овозможува да воспоставиме врска помеѓу бројот на плазмиди на почетокот на клеточниот циклус () и бројот на плазмиди на крајот од клеточниот циклус во времето на клеточната делба (), каде го претставува бројот на плазмиди во добиените ќерки-клетки, претпоставувајќи дека еквипартиционирање за време на клеточната делба. Слика 2 покажува типична врска помеѓу и , што е зависно од брзината на репликација на плазмидот што е, пак, функција на плазмидните параметри , и (види Равенка 2). Предмет на почетниот број на плазмиди во матичната клетка , добиените ќерки ќе имаат или помалку (), повеќе () или исто толку плазмиди () како што првично содржеше нивната матична клетка. Последниот случај претставува вкрстена генерациска рамнотежа на одреден број на копии за даден сет на вредности на параметрите на плазмидот. Оваа рамнотежа може да биде или стабилна или нестабилна, во зависност од одговорот на системот на флуктуации во бројот на копии. Условите за стабилна рамнотежа каде што има а стабилен карактеристичен број на копија може да се дефинира според:

така што кога една клетка има помалку од плазмиди на почетокот на клеточниот циклус, плазмидите прекумерно се реплицираат и кога има повеќе од плазмиди, плазмиди недоволно се реплицираат. Во двата случаи, кои можат да се појават како резултат на стохастичност во плазмидната репликација или сегрегација при клеточната делба, тенденцијата е кон рамнотежен иден клеточен циклус со повторно плазмиди. Пример за стабилен карактеристичен број на копија е точката означена со пополнет круг на Слика 2. Точката означена со отворен круг на истата крива е нестабилен број на копија во рамнотежа, чие нарушување ќе доведе или до прекумерна репликација или недоволно репликација на плазмидот, а вториот случај во овој случај резултира со движење кон стабилната рамнотежа.

Секоја крива ја претставува детерминистичката врска помеѓу бројот на плазмиди на почетокот на матичниот клеточен циклус и бројот на плазмиди на почетокот на циклусот на клетката ќерка (претпоставувајќи ја еквипартиционирањето за време на клеточната делба), за опсег на почетни броеви на копии и фиксен сет на клеточни и плазмидни параметри. Дијагоналата ја претставува конзистентноста на броевите на копии помеѓу родителските и ќерките клетки, точките под дијагоналата укажуваат на недоволно репликација на плазмидот, додека точките над дијагоналата укажуваат на прекумерна репликација на плазмидот. Обликот на кривата и нејзините точки на пресек со дијагоналата зависат од вредностите на параметарот на плазмидот. крива и цијан висока крива соодветно). Високиот крај на секоја крива одговара на граница над која клетката не може да ја одржи својата плазмидна популација поради негативната стапка на раст на клетките што доведува до клеточна смрт. Точките означени со кругови на медиумот кривата (зелена) претставува рамнотежна копија на броеви, исполнет круг означува стабилност и постоење на карактеристичен број на копирање, додека отворен круг означува нестабилна рамнотежа. Критичниот кривата (црвена), која е тангенцијална на дијагоналата, ја претставува границата (работ) на стабилност, во која стабилните и нестабилните карактеристични броеви на копии се собираат до една единствена точка.

Границите на стабилноста на плазмидите

За која било конфигурација на параметрите за репликација на плазмидот , и , можеме да одредиме дали постои стабилен карактеристичен број на копии, која е неговата вредност и која е соодветната кондиција на ќелијата, што е дефинирано како реципрочно време потребни за една клетка да се подели. Слика 3 ги прикажува резултатите од истражувањето на просторот на плазмидните параметри за два различни CNC режими. Прво, го разгледуваме случајот во кој плазмидите имаат самоодредена стапка на репликација, независно од присуството на други плазмиди во истиот домаќин (, NO-CNC). Во овој случај, единствениот механизам за контрола на бројот на копијата е плазмидното самоограничување (во форма на ), кои раните теоретски пристапи ги нарекоа “пасивна” контрола на бројот на копии [36]. Второ, го разгледуваме случајот на активна негативна повратна врска помеѓу бројот на копии и брзината на репликација на плазмидот што се реализира преку синтеза на трансактивни инхибитори на репликација (, со , ЦПУ).

Стабилни (цврсти) и нестабилни (испрекинати) рамнотежни броеви на копии за една клетка како функција од стапките на репликација на базалните плазмиди за и различни вредности на сврзувачкиот афинитет (сина за зелена за црвено за ).Вредностите на фитнесот на клетките (пресметани како реципрочно време на клеточната делба ) кои одговараат на стабилните карактеристични броеви на копии се прикажани на долниот панел. Стабилните и нестабилните рамнотежни броеви на копии се собираат до единствена точка (работ на стабилноста на бројот на копијата како што е прикажано со критичниот крива на Слика 2) која е означена со обоена вертикална испрекината линија, надвор од која нема карактеристични броеви на копии, т.е. плазмидите се пререплицираат за кој било првичен број на копии. Границата под која стабилната карактеристика број на копирање станува нула е . Во случај кога (сини линии), работ на стабилност се совпаѓа со максималната способност на клетките за (зелени, црвени линии), фитнес врвот на домаќинот е опкружен со неоптимални конфигурации на параметри кои се карактеризираат со стабилност во однос на бројот на копии.

Во првиот случај (NO-CNC), забележуваме дека системот има стабилен не-нула карактеристичен број на копии за екстремно ограничен регион на стапки на репликација на базалните плазмиди . Овој стабилен регион е опкружен со региони на плазмидна нестабилност кои се карактеризираат со конзистентна недоволна или прекумерна репликација на плазмидите за кој било почетен број на копии (опишан со низок и висок криви на слика 2). Во регионот на плазмидната стабилност, кондицијата на клетките се зголемува со до критична точка која ја означува транзицијата кон нестабилност каде плазмидите постојано се пререплицираат. Оттука, без CNC, меѓуклеточната селекција би фаворизирала зголемување на вредностите на стапката на репликација на плазмидот (), бидејќи ова се преведува на повисока клеточна кондиција, сè додека не се достигне критичната точка на плазмидна нестабилност. Оваа транзиција (означена со вертикална испрекината линија на Слика 3) се јавува при максимална кондиција на ќелијата и се карактеризира со колапс на стабилните и нестабилни рамнотежни броеви на копии до еднина копија број (настан кој е фатен од критичните крива на слика 2). Конзистентната прекумерна репликација резултира со идни клеточни циклуси со зголемен број на плазмиди што доведува, на крајот, до плазмидна експлозија и клеточна смрт. Активирањето на CNC системот (, со ) ефикасно го проширува опсегот на стабилност на плазмидата и, клучно, ја раздвојува точката на транзиција кон нестабилност од точката на оптимален раст на клетките. Како резултат на тоа, конфигурацијата на параметрите за репликација на плазмидот што дава оптимален раст на клетките сега е опкружена со неоптимални, но и стабилни региони. Под овие услови, меѓуклеточната селекција за зголемени стапки на клеточна делба би ги фаворизирала клетките што содржат плазмиди со стабилен број на копии.

Стабилност на плазмидите и раст на домаќинот

Нашите претходни симулации покажаа дека, кога се игнорира стохастичноста, постои само ограничен опсег на што овозможува стабилност во плазмидната репликација. Во отсуство на CNC, оптимизацијата на стапката на клеточна делба би резултирала со стапки на плазмидна репликација на работ на стабилноста, додека присуството на CNC го проширува опсегот на стабилни стапки на репликација, како и создава ситуација во која оптималната клеточна кондиција е се наоѓа во внатрешноста на овој регион на стабилност. Сега продолжуваме со проширување на детерминистичката едноклеточна рамка што ја разгледувавме досега со цел да ја истражиме стабилноста на плазмидот и перформансите на домаќинот во контекст на стохастички повеќеклеточни симулации кои го опишуваат асинхрониот раст и поделба (или смрт) на домаќините и автономната репликација на плазмидите во такви домаќини. Воведуваме стохастичност во плазмидната репликација со разгледување на очекуваниот број на настани за репликација за плазмидите во секој домаќин во секоја дискретна временска точка што треба да се дистрибуира со Поасон, како што е наведено во Равенката 2 (за повеќе детали видете Дополнителен текст S1).

Перформансите на одреден вид во таква стохастичка симулација, во која домаќините се инфицирани со плазмиди со идентични вредности на параметрите за репликација, може да се оцени со пресметување на просечната нето стапка на раст на домаќинот како разлика помеѓу просечната поделба на домаќинот и стапката на смртност. Слика 4 го прикажува добиениот фитнес пејзаж на независни соеви како функција на соодветните вредности на параметрите за репликација на плазмидот и дадена . Забележуваме дека, поради хомогеноста на плазмидната популација, параметрите и се заменливи (види и Равенка 2) и, како такви, фитнес пејзажот на и дадена е идентичен со фитнес пејзажот на и дадена . Регионот на стабилност на плазмидот во овој предел е доминиран од градиентот на нето стапката на раст на домаќинот што води до област на оптимален раст во која послушноста кон полициското работење е максимално силна (). Исто како и во едноклеточниот детерминистички случај, стабилниот регион е опкружен со региони на плазмидна нестабилност, во кои плазмидите се елиминираат од популацијата домаќин, поради отсуството на стабилен карактеристичен број на копии. и конзистентна недоволна или прекумерна репликација на плазмидите. Конзистентната недоволна репликација води до постепено разредување и евентуално исчезнување на плазмидите од популацијата (бела површина под стабилниот регион на Слика 4). Конзистентната прекумерна репликација води до зголемен број на копии што го забавува клеточниот раст (видете ја и Равенката 1), обезбедувајќи повеќе време за реплицирање на плазмидите, а со тоа дополнително го загрозува клеточниот раст. Како такви, домаќините без плазмиди, кои произлегуваат од стохастичките сегрегациски грешки, се способни да ги надраснат прекумерно инфицираните домаќини, додека популацијата не биде целосно без плазмиди (бела површина над стабилниот регион на Слика 4). Во случај на екстремна плазмидна себичност (на висока , ниско ), популацијата домаќин колабира под тежината на прекумерната прекумерна репликација на плазмиди, пред на сегрегантите без плазмиди да им се даде шанса да надраснат прекумерно инфицирани домаќини и да формираат популација без плазмиди (црни кластери на Слика 4).

Топлинската карта ја прикажува нето просечната стапка на раст на населението (изразена како разлика помеѓу просечната стапка на поделба и смртност) како функција на параметрите за репликација на плазмидот и , во просек за три независни стохастички повеќеклеточни симулации со плазмидна хомогеност (без мутации) и фиксна стапка на производство на инхибитори. Белите области под и над стабилниот регион ги претставуваат регионите на просторот на параметрите на плазмидите во кои плазмидите се елиминираат од популацијата поради конзистентна недоволна или прекумерна репликација, соодветно. Црните кластери во горниот лев агол го претставуваат колапсот на популацијата домаќин под тежината на прекумерната репликација на плазмидот. Хоризонталната испрекината линија ја означува вредноста на за кои системот достигнува оптимален раст при (види слика 5). Конечно, патеката слична на црна скала ја опишува еволуцијата на CNC во стохастичка симулација каде и им е дозволено да мутираат со веројатност и фиксна стапка на производство на инхибитори.

Нивоа на послушност и ефикасност на контролата на репликацијата

Стохастичноста во плазмидната репликација и сегрегацијата при клеточната делба доведува до дистрибуција на броеви на копии во популацијата што се јавува кај сите домаќини инфицирани со плазмиди во текот на симулацијата. Ги истражувавме ефектите од послушноста ( или полициско работење , бидејќи тие се заменливи поради хомогеноста на плазмидната популација) за карактеристиките на овие дистрибуции, со разгледување на пресек на фитнес пејзажот за фиксна вредност на базалната стапка на репликација на плазмидите , што одговара на оптималната нето стапка на раст при максимална CNC (). Слабиот CNC режим долж овој пресек на фитнес пејзажот () е нестабилен и плазмидите на крајот се елиминираат од популацијата (види Слика 5). Широката на дистрибуцијата на бројот на копии во овој режим ја одразува големата варијација и оддалечување на броевите на копии во популацијата, поради засилувањето на стохастичките флуктуации на бројот на копии [15]. Трансформацијата на распределбите започнува во средниот опсег на послушност (), со појавата на јасен врв, сепак, присуството на тешка опашка укажува на постојана нестабилност на репликацијата на плазмидот. Овие нестабилности се минимизираат во регионот на силен CNC () како што распределбите стануваат постепено помалку искривени, поради зголемената ефикасност во контролирањето на стохастичките флуктуации на бројот на копии и соодветното намалување на варијацијата на бројот на копии. Во исто време, несовпаѓањето помеѓу просечниот број на копии на дистрибуциите и бројот на копијата што е оптимално за растот на домаќинот (види и Равенка 1) станува пониско со зголемување на послушноста , со што се поттикнува забрзување на нето просечниот раст на домаќинот до оптимална стапка при максимална CNC ().

Ефектите од послушноста (зголемување на контролата на бројот на копии ) за распределбата на броевите на плазмидни копии за фиксна вредност на базалната стапка на репликација на плазмидите , избрано така што соодветноста на популацијата за оваа вредност е оптимална при максимална CNC (види хоризонтална испрекината линија на Слика 4). Слабиот CNC режим () е нестабилен и плазмидите на крајот се елиминираат од популацијата. Дистрибуции на броеви на копии се дадени за различни вредности на (горе лево сино за , зелена за , црвено за , цијан за и магента за ). Дистрибуциите се пресметани со снимање на броевите на копии на сите домаќини инфицирани со плазмиди во текот на целиот тек на повеќеклеточна стохастичка симулација. Несовпаѓање помеѓу просечниот број на копии и бројот на копијата која е оптимална за растот на домаќинот е дадена во функција на (горе десно), како и стандардното отстапување (долу лево) и искривување (долу десно) од дистрибуциите на бројот на копијата.

Еволуцијата на колективното ограничување

Откако ги истраживме ефектите на хомогената плазмидна соработка врз растот на домаќинот и стабилноста на плазмидите, сега прашуваме како овие ефекти влијаат на еволуцијата на параметрите за репликација на плазмидот во поширокиот контекст на конфликтот помеѓу нивоата на селекција. За таа цел, воведуваме плазмидна варијација во нашите повеќеклеточни стохастички симулации: секој настан за репликација на плазмидот имплицира можност за мутација со веројатност , во кој случај вредноста на точно еден од параметрите за репликација на плазмидот, избран по случаен избор со еднакви веројатности, се менува.

Почнувајќи со почетна популација на плазмиди кои не реагираат на инхибитори (т.е. ), дозволуваме и да се развива со фиксна стапка на производство на инхибитори . Резултирачката еволутивна динамика, прикажана на Слика 4, ја демонстрира појавата на ефикасна контрола на репликацијата како што е поттикната од синергиите помеѓу интра-клеточната селекција што ги фаворизира непосредните плазмидни репродуктивни придобивки (поголема себичност , помала послушност ), и меѓуклеточната селекција што ги фаворизира еволутивните прилагодувања кон оние региони на просторот на параметарот на плазмидот каде што се зголемува нето стапката на раст на домаќинот. Всушност, и поради минливата и епигенетската природа на стохастичките флуктуации на бројот на копии, меѓуклеточната селекција функционира на нето стапката на раст на домаќинот акумулирана во текот на неколку генерации и, според тоа, на распределбата на бројот на копии поврзани со одредени конфигурации на плазмидната репликација параметри [27]. Како такви, еволутивните прилагодувања фаворизирани од меѓуклеточната селекција доаѓаат во форма на кооперативни плазмидни параметри мутации, како што е зголеменото самоограничување на плазмидот (пониска себичност ) или зголемена чувствителност на инхибиторот (повисока послушност ), кои го менуваат начинот на плазмидна репликација за да се обезбеди намалување, прво, на несовпаѓањето помеѓу оптималната и значи броеви на копии и, второ, во големината на флуктуациите на бројот на копијата (т.е. варијацијата на дистрибуцијата на бројот на копијата). На овој начин, еволуцијата на CNC се развива со ескалирачка сукцесија на себични и кооперативни плазмидни параметри мутации што се развиваат долж градиентот на фитнес пејзажот на домаќинот, водејќи го системот кон регионот на оптимален раст на домаќинот при максимална CNC. Понатамошната ескалација е спречена поради границите што се наметнуваат на вредностите на параметрите на плазмидот, отсуството на такви граници би довело до ефект на растреперување при што сукцесијата на себични и кооперативни мутации би продолжила на неодредено време, ограничена само со трошоците за производство на соодветните фактори вклучени во плазмидот. репликација (иницијатори и инхибитори).

Истиот кооперативен исход (еволуција на ефикасен CNC систем) се добива кога ќе ги дозволиме сите три параметри за репликација на плазмидот , и да еволуира од почетна состојба каде што плазмидите ниту произведуваат () ниту одговори () на инхибитори (види Слика 6). Во овој случај, кооперативните мутации може да бидат или цис-специфични (повисока послушност ) како порано, или транс-специфични (поголема полиција ), во тој случај мутација која ја зголемува стапката производството на инхибитор од поединечен плазмид ќе влијае не само на мутантот, туку и на сите плазмиди во базенот на интра-клеточната репликација (поради член во равенката 2). Цис-специфичноста на имплицира дека кооперативната мутација која предизвикува поголема чувствителност на инхибиторот е скапа на интра-клеточно ниво, бидејќи ги намалува шансите на мутантот за непосреден репродуктивен успех во базенот за репликација. Транс-специфичноста на воведува принуден елемент во соработката, бидејќи производството на инхибитори ја регулира репликацијата на сите плазмиди во базенот. Исто така, создава потенцијал за субверзивни плазмидни стратегии според кои поединечните плазмиди можат да добијат предност во базенот за репликација со ревносно производство на инхибиторот (висока полиција ) додека се одржува ниска чувствителност (послушност ) на самиот тој инхибитор. Сепак, овој опсег за опортунистичко однесување не ја спречува појавата на полицискиот CNC механизам. Всушност, откриваме дека варијацијата на параметрите на плазмидот во клетките е прилично мала (види Табела 1), така што домаќините се населени со, повеќе или помалку, хомогена плазмидна популација (т.е. плазмидите се многу поврзани со нивните интраклеточни соседи), поради до недостаток на миграција на плазмид (хоризонтален пренос) помеѓу домаќините. Степенот на хомогеност на плазмидот е намален за приближно ред на големина помеѓу домаќините, во споредба со неговата вредност кај домаќините, со што се генерира диференцијален раст на домаќинот врз кој функционира меѓуклеточната селекција со фаворизирање на построга контрола над репликацијата на плазмидот.

Просечни вредности на параметрите на плазмидот (сина), (зелена) и (црвено) со текот на времето, покажувајќи ја еволуцијата на CNC механизмот во стохастички повеќеклеточни симулации, со веројатност за мутација . Резултатите се просечни на 50 независни симулации со исти почетни услови.

Табела 1

во рамките на домаќинитепомеѓу домаќините
Табелата ги сумира интраклеточните (во рамките на домаќините) и меѓуклеточните (меѓу домаќините) варијации на параметрите за репликација на плазмидот, претставени како стандардна девијација , просечно со текот на времето и преку 50 независни стохастички повеќеклеточни симулации (соодветните просеци на параметрите на плазмидот се прикажани на Слика 6). Внатре-клеточната варијација се пресметува за сите плазмиди во домаќинот во однос на интрацелуларната средна вредност на домаќинот и е просечно пресметана кај сите домаќини во популацијата. Меѓуклеточната варијација се пресметува за интрацелуларните средства на сите домаќини во однос на средната вредност на популацијата (глобална).

Ефектите од полициските трошоци врз еволуцијата на CNC

Ние, исто така, го истражувавме влијанието на полициските трошоци врз еволуцијата на колективното ограничување и севкупните перформанси на населението, со воведување на дополнителни трошоци. во равенката 1, каде е трошокот за производство по единица инхибитор што го плаќа домаќинот. Ова имплицира дека сега постои селекција на меѓуклеточно ниво против производството на полициски ресурси, поради поврзаните полициски трошоци кои го забавуваат растот на домаќинот. Слика 7 покажува дека зголемувањето на полициските трошоци одговара на намалувањето на производството на полициски ресурси (), но не и колапс на плазмидната послушност () на полициско работење. Напротив, послушноста не само што се одржува, туку и малку се зголемува со зголемувањето на полициските трошоци. Во исто време, стапката на репликација на базалните плазмиди () се намалува за да се компензира постепеното намалување на достапноста на полициските ресурси (). Како резултат на тоа, CNC системот останува функционален во текот на целиот период (бидејќи сè уште постои избор на меѓуклеточно ниво за висока послушност ) но станува помалку ефикасен со зголемување на трошоците за полициско работење и перформансите на популацијата се влошуваат со пониски стапки на поделба за домаќините и повисоки стапки на сегрегациска загуба за плазмидите (види Слика 7).

Просечни вредности на плазмидните параметри (, , ), стапките на поделба на домаќинот и сегрегациска загуба, како и фракцијата на домаќините инфицирани со плазмиди во популацијата (плазмидско ширење) за различни трошоци за полициско работење. Последново овде се изразува како производна цена по единица инхибитор во однос на постојаните општи трошоци за одржување по плазмидна копија (на пр. трошоците за генска експресија, репликација итн.).

Споредби помеѓу индивидуално и колективно воздржување

Позитивните ефекти на CNC не се ограничени само на домаќините, туку се прошируваат и на плазмидите. Ги проценивме предностите на CNC за домаќините и плазмидите со споредување на резултатите од нашите повеќеклеточни стохастички CNC симулации (CNC еволуира) на оние од основниот модел каде што полицијата е отсутна и плазмидите се реплицираат независно од присуството на други плазмиди во истиот домаќин (NO-CNC се развива, ). Перформансите на домаќинот беа оценети во однос на просечната стапка на поделба и смртност, додека перформансите на плазмидите беа оценети врз основа на верноста на вертикалниот пренос и ширењето на плазмидите во популацијата домаќин. Слика 8 покажува дека сите мерки биле значително подобрени кога CNC бил функционален (CNC симулации), во споредба со случајот кога CNC механизмот бил отсутен (NO-CNC симулации). Како такви, корисните ефекти на CNC механизмот врз стабилноста на плазмидите, поради построгата контрола на стохастичките флуктуации на бројот на копии, овозможуваат широко распространета инфекција на домаќинот и минимизирање на сегрегациските загуби во рамките на маргините дозволени со меѓуклеточната селекција, со што се зацврстува упорноста на плазмидната лоза во популацијата.

Перформансите на домаќинот се мерат во однос на поделбата (горе лево) и стапката на смртност (горе десно), додека перформансот на плазмидите се мери во однос на сегрегациските загуби (долу лево) и фракцијата на домаќините инфицирани со плазмида во популацијата ( долу десно). Стапката на сегрегациска загуба се пресметува со евидентирање на секој временски чекор на случаите на ќеркичка клетка без плазмиди што произлегува од родителска клетка инфицирана со плазмида меѓу сите поделби на клетки инфицирани со плазмиди. Направени се споредби помеѓу основниот модел во кој отсуствува полициското работење (NO-CNC во сина боја се развива, ) и моделот во кој е дозволено да еволуираат полициското работење и послушноста (CNC во зелена боја еволуира). Дистрибуциите беа пресметани користејќи ги вредностите на последните 100.000 чекори од 50 независни стохастички повеќеклеточни симулации со исти почетни услови и веројатност за мутација .

Конечно, ја испитавме и упорноста и стабилноста на воспоставениот полициски механизам меѓу плазмидите против инвазијата од себични поединци, т.е. плазмиди кои се нечувствителни на инхибитори на репликација и се реплицираат независно од присуството на други плазмиди во истиот домаќин. Поконкретно, ја симулиравме конкуренцијата помеѓу NO-CNC ( само со ) и CNC () типови (а) со мешање на двата типа подеднакво во домаќините (хетерогеност во рамките на домаќинот) и (б) со дистрибуција на двата типа одделно и подеднакво меѓу различните домаќини во популацијата (хетерогеност помеѓу домаќинот). Во секој случај што го испитавме, забележавме брзо поместување на себичниот тип од населението. Целосната распространетост на типот CNC ја демонстрира робусноста и стабилноста на механизмот на колективно ограничување наспроти инвазијата на себичните елементи кои го заобиколуваат полицискиот механизам со цел да добијат релативна предност во базенот за интра-клеточна репликација.


Материјали и методи

Табела за реагенси и алатки

Реагенс/ресурс Референца или извор Идентификатор/ Каталог бр
Медиуми
Лурија-Бертани (ЛБ) BD Difco од Fisher Scientific DF0446 07 5
M9CA Amresco M9CA средна супа во прав многу бр. 2055C146
Плазмиди
Донатори и приматели
Генотип на сој
РП4 донатор (Лопаткин et al, 2016 ) DA32838 Eco galK::cat-J23101-dДомат
донатор на пР (Лопаткин et al, 2016 ) DA26735 Eco lacIZYA::FRT, galK::mTagBFP2-amp
p41 донатор (Лопаткин et al, 2016 ) Ешерихија коли изолат број 41
стр168 донатор (Лопаткин et al, 2016 ) Ешерихија коли изолат број 168
стр193 донатор (Лопаткин et al, 2016 ) Ешерихија коли изолат број 193
p283 донатор (Хендел et al, 2015 ) ESBL 242
донатор на R6K (Лопаткин et al, 2016 ) Ешерихија коли C600
R6Kdrd донатор Дарежлив подарок од Д. Мазел (Бахароглу et al, 2010 ) Ешерихија коли Dh5a
R1 донатор Дарежлив подарок од Ф. Дионисио и Ј. Алвес Гама (Гама et al, 2020 ) Ешерихија коли MG1655 Дара
R1drd донатор Дарежлив подарок од Ф. Дионисио и Ј. Алвес Гама (Гама et al, 2020 ) Ешерихија коли MG1655 Дара
дарител на pRK100 Дарежлив подарок од Т. Сисоева Ешерихија коли HB101
RIP113 донатор Дарежлив подарок од Д. Мазел (Бахароглу et al, 2010 ) Ешерихија коли Dh5a
RB933 примач Дарежлив подарок од И. Гордо (Леонидас Кардосо et al, 2020 ) E. coli lacIZYA::лузна galK::мачка-YFP ∆gatZ::FRT-aph-FRT rpoB H526Y
MG1655 (Лопаткин et al, 2016 ) Ешерихија коли MG1655 (K-12 F - λ - ilvGrfb-50 rph-1)
DA838F (Лопаткин et al, 2016 ) DA32838 Eco galK::cat-J23101-dДомат
DA838 (Лопаткин et al, 2016 ) DA32838 Eco galK::cat-J23101-dДомат
P (примач за p41, p193 и p168) Оваа студија, лабораториски акции Ешерихија коли MG1655 (K-12 F - λ - ilvGrfb-50 rph-1)
Примач на KPN (Гомез-Симондс et al, 2015) Klebsiella pnseumoniae изолат KP0064, ST17
Софтвер
MATLAB v. R2020a https://www.mathworks.com/products/matlab.html N/A
Алатки
Tecan бесконечна Mplex читач на плочи Текан N/A

Методи и протоколи

Видови, медиуми и услови за раст

Експериментите беа иницирани со единечни клонови избрани од агар-плочи, инокулирани во 2 ml Luria-Bertani (LB) медиум и инкубирани преку ноќ на 37°C точно 16 часа додека се тресеше на 250 вртежи во минута. Кога е применливо, LB медиумот беше дополнет со специфични антибиотици. На пример, за да се измери цената на стекнување на RP4, D, R и адаптираниот T беа одгледувани со 50 μg/ml канамицин (Kan), 50 μg/ml спектиномицин (Spec) или и двете, соодветно (Додаток Табела S1A). За сите други комбинации на донори и приматели, соодветните антибиотици и концентрации може да се најдат во Додаток Табела S1B. Сите експерименти беа изведени во медиум М9 (M9CA средна супа во прав од Amresco, лот бр. 2055C146, кој содржи 2 mg/ml казамино киселина, дополнет со 2 mM MgSO4, 0,1 mM CaCl2 и 0,4% w/v гликоза.)

Генерирање адаптирани RP4 трансконјуганти

За да се генерира прилагоден Т, поединечни клонови на D и R беа одгледувани преку ноќ според претходниот опис. По 16 часа, сите култури беа повторно суспендирани 1:1 во M9CA. Еднакви волумени (по 400 µl) од D и R беа измешани во Епендорф цевка и инкубирани 1 час во инкубатор за ладење на 25°C. По периодот на конјугација, смесите беа шарени на Spec-Kan плочи и се одгледуваа 16 часа на 37°C, ова е доволно долго за да се овозможи физиолошка адаптација (Ериксон et al, 2017 година) без генетски мутации (Харисон et al, 2016 Лопаткин et al, 2017 година) и е во согласност со претходните протоколи за воспоставување трансконјуганти за проценки на трошоците за фитнес (Бакнер et al, 2018 Димитриу et al, 2019 ).

Квантификување на трошоците за стекнување за RP4

Да генерирате де ново Т, поединечни клонови на D и R беа одгледувани преку ноќ и конјугирани како што е опишано погоре. Паралелно, адаптираните Т колонии беа одгледувани преку ноќ за да се воспостави стандардната крива. За време на периодот на конјугација на D и R, 800 µl адаптиран Т исто така беа аликвотирани во Епендорф цевка и ставени во инкубатор за ладење на 25°C. По периодот на конјугација, де ново Т беше квантифициран од мешавината на D и R користејќи или единици за формирање колонии (CFU) или преку разредување во читачот на плочата. За CFU, смесата D и R беше сериски разредена во 10-кратно разредување. 10 µl од сите фактори на разредување (10 0 – 10 7 ) беа забележани на Spec-Kan агар плочи, потоа инкубирани 16 часа на 37°C и избројани. За читачот на плочи, смесата D и R беше разредена во M9CA медиум што содржи Spec-Kan, а 200 µl беа распределени во бунари од плоча со 96 бунари во технички три примероци. Како што е утврдено со пилот експерименти, де ново Т беше разреден на 1.000 × за да резултира со приближно 2.000 клетки по бунар, што беше откриено дека е доволно ниско за да се спречи растот или конјугацијата во позадина.

CFU на адаптираниот Т исто така беше квантифициран во овој момент користејќи го истиот протокол како што е опишано погоре. Стандардната крива беше генерирана со користење на седум фактори на разредување на адаптираниот Т (слика 2Б). Адаптираните Т-клетки беа разредени во медиум M9CA со Spec-Kan, а потоа, делови од 200 µl од секој фактор на разредување беа поставени на истата плоча со 96 бунари, исто така во технички три примероци. Сите бунари потоа беа покриени со 50 µl минерално масло за да се спречи испарување и веднаш беа ставени во читач на Tecan плоча. Во сите случаи, отчитувањата на апсорпцијата на 600 nm се земаа на секои 15 минути најмалку 24 часа додека сите клетки не достигнат стационарна фаза. Сите податоци од RP4 беа спроведени во најмалку биолошки тројки.

Општост на трошоците за стекнување со други плазмиди

Истиот протокол за конјугација опишан погоре беше користен за сите дополнителни плазмиди со неколку модификации. Прво, антибиотиците што се користат за избор на трансконјуганти во секој случај зависеа од плазмид-кодираните отпорни гени и компатибилниот вид примател (Додаток Табела S1B). Исто така, од седумте фактори на разредување што се користат за стандардните криви RP4 и pR, го најдовме подмножеството фактори на разредување на 10 2 X, 10 4 X и 10 6 X доволни за прецизно квантифицирање на трошоците за стекнување на обете плазмиди (како што е утврдено со сите разредувања). Така, овие три фактори на разредување беа искористени за да се генерираат стандардни криви за остатокот од експериментите. Максималната густина на клетките (дефинирана со OD600) и стапките на раст се разликуваа во зависност од сојот и плазмидот, врз основа на ефикасноста на конјугација. Во сите случаи, факторот на разредување во читачот на плочата беше одреден врз основа на пилот експерименти за да се идентификува најголемата почетна густина во бунарите без забележлива конјугација на позадината. Во случаите кога конјугацијата на позадината не можеше целосно да се елиминира, растот беше одземен така што експоненцијалната фаза остана. За да остане постојано во рамките на експоненцијалната фаза, густината на прагот на ќелијата беше поставена да биде еднаква на 50% од максималната густина постигната за секој експеримент, оваа вредност се чини дека најконзистентно го избира регионот наведен на слика 2А како што е опишано во Резултатите. Промената на прагот во фазата на експоненцијален раст не влијае квалитативно на нашите заклучоци. Конечно, забележуваме дека трошоците за стекнување беа многу репродуктивни помеѓу биолошките реплики (види Додаток Сл S10A) во многу случаи, варијабилноста беше поголема помеѓу поединечните бунари на даден ден, наместо помеѓу средните вредности во текот на денот, веројатно поради малиот број на клетки по бунар еднаш разреден во чинии со 96 бунари. Онаму каде биолошките дупликати резултати можеа да се репродуцираат и не доведоа до различни статистички заклучоци, наместо тоа, се фокусиравме на техничката варијабилност во репрезентативна реплика. Затоа, со користење на најпроменливите податоци во секој даден случај, ја максимизираме строгоста на поврзаните статистички заклучоци. Во секој случај, типовите на реплики што се користат за генерирање статистика се прикажани во Додаток Табела S3A (слика 3H). Забележуваме дека без оглед на репликите што се користат за генерирање статистика, специфичните трошоци за стекнување остануваат идентични. Понатаму, врската помеѓу стекнувањето и трошокот за фитнес не се промени во зависност од тоа дали наместо тоа се користеле просеци на биолошки реплики (Додаток Сл S10B).

Пресметување стапка на раст

каде y2 > y1, каде y2 и y1 се ОД600 на моменти т+2 и т−2, соодветно. Времето на задоцнување на Prensky беше пронајдено со x-пресекот на тангентата линија што минува низ максималната стапка на раст, во согласност со геометриското време на задоцнување на Сл. 2А.

Експерименти за натпреварување

Сите натпреварувачки експерименти беа извршени во претходната публикација и податоците беа репродуцирани со дозвола од Nature Communications (Lopatkin et al, 2017 година), која е лиценцирана според меѓународната лиценца Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Накратко, популациите без плазмиди и популации што носат плазмиди беа измешани во сооднос 1:1 и се одгледуваа во последователни генерации помеѓу 14-21 ден. На секои 24 часа, популациите се разредуваа 10.000×, а CFU беше следен во редовни интервали на двојно селективен агар.

Модел пресметки

Беа извршени симулации за да се пресмета забележаната стапка на раст, μопс, и максималната специфична стапка на раст, μ, за опсег од α и β вредности (слика 4А). μопс беше пресметано како што е опишано во Додатокот равенка S6. μопс беше утврдено дека е нумерички различен од μ врз основа на која било забележана стапка на раст што паднала под 98% од максималната вредност (на пр., ако μопс < 0,98*μ). Во сите случаи за фитинг на податоци, беше пресметано со помош на функцијата fminsearch во MATLAB. fminsearch е функција за оптимизација која ја минимизира секоја целна функција одредена од корисникот и бара првична проценка на параметарот(ите) што треба да се вградат. Во нашиот случај, ние го имплементиравме ова вклопување со минимизирање на разликата помеѓу ODE решението на S D + S A и кривите на необработени податоци како што е прикажано во Додатокот Сл. S7 бидејќи ρ беше ограничен со експериментално проценување на односот на стапките на раст помеѓу адаптираните и де ново популации, β беше единствениот преостанат слободен параметар што требаше да се вгради. Така, за секој плазмид, почетната β проценка беше поставена да биде геометриско време на задоцнување на соодветната крива на раст, а излезот од оптимизацијата на fminsearch беше проценет β што најдобро одговара на нашите експериментални податоци.


Референци

Slater FR, Bailey MJ, Tett AJ, Turner SL: Напредок кон разбирање на судбината на плазмидите во бактериските заедници. Fems Микробиологија Екологија. 2008, 66 (1): 3-13. 10.1111/j.1574-6941.2008 година.00505.х.

Frost LS, Leplae R, Summers AO, Toussaint A: Мобилни генетски елементи: агенти на еволуцијата со отворен код. Природата осврти Микробиологија. 2005, 3 (9): 722-732. 10.1038/nrmicro1235.

Eberhard WG: Еволуција во бактериски плазмиди и нивоа на селекција. Квартален преглед на биологијата. 1990, 65 (1): 3-22. 10.1086/416582.

Медини Д, Донати Ц, Тетелин Х, Масињани В, Рапуоли Р: Микробиолошкиот пан-геном. Тековно мислење за генетика и развој на засилувач. 2005, 15 (6): 589-594.

Цуда М, Тан ХМ, Ниши А, Фурукава К: Мобилни катаболични гени кај бактериите. Весник за бионаука и биоинженеринг. 1999, 87 (4): 401-410. 10.1016/S1389-1723(99)80086-3.

Khomenkov VG, Shevelev AB, Zhukov VG, Zagustina NA, Bezborodov AM, Popov VO: Организација на метаболички патишта и молекуларно-генетски механизми на ксенобиотска деградација кај микроорганизмите: Преглед. Применета биохемија и микробиологија. 2008, 44 (2): 117-135.

Dutta C, Pan A: Хоризонтален трансфер на гени и бактериска разновидност. Весник за бионауки. 2002, 27 (1): 27-33. 10.1007/BF02703681.

Озборн АМ, Болтнер Д: Кога се судираат фагот, плазмидите и транспозоните: геномски острови и конјугативни и мобилизирани транспозони како мозаичен континуум. Плазмид. 2002, 48 (3): 202-212. 10.1016/S0147-619X(02)00117-8.

Дејвисон Ј: Генетска размена помеѓу бактериите во околината. Плазмид. 1999, 42 (2): 73-91. 10.1006/плас.1999 година.1421.

Бергстром КТ, Липсич М, Левин БР: Природна селекција, инфективен трансфер и услови за постоење на бактериски плазмиди. Генетика. 2000, 155: 1505-1519.

Zaneveld JR, Nemergut DR, Knight R: Дали сите хоризонтални генски трансфери се создадени еднакви? Изгледи за студии засновани на механизми за моделите на HGT. Микробиологија-Sgm. 2008, 154: 1-15. 10.1099/mic.0.2007/011833-0.

Fernández-López R, Garcillán-Barcia MP, Revilla C, Lázaro M, Vielva L, dlC F: Динамиката на генетскиот столб на IncW имплицира општи трендови во еволуцијата на конјугативната плазмида. Осврти за микробиологија на FEMS. 2006, 30 (6): 942-966. 10.1111/j.1574-6976.2006 година.00042.х.

Севалос МА, Сервантес-Ривера Р, Гутиерез-Риос РМ: Плазмидното семејство repABC. Плазмид. 2008, 60 (1): 19-37. 10.1016/j.плазмид.2008 година.03.001.

Bentley SD, Parkhill J: Компаративна геномска структура на прокариоти. Годишен преглед на генетиката. 2004, 38: 771-792. 10.1146/annurev.genet.38.072902.094318.

Brilli M, Mengoni A, Fondi M, Bazzicalupo M, Liò P, Fani R: Анализа на плазмидни гени со филогенетско профилирање и визуелизација на хомолошките врски користејќи Blast2Network. BMC Биоинформатика. 2008 година

Пелег Ај, Сејферт Х, Патерсон ДЛ: Acinetobacter baumannii: појава на успешен патоген. Прегледи на клиничка микробиологија. 2008, 21 (3): 538-582. 10.1128/CMR.00058-07.

Јуни Е: Трансформација на меѓувидови на Acinetobacter: Генетски докази за сеприсутниот род. Ј Бактериол. 1972, 112 (2): 917-931.

Chen TL, Siu LK, Lee YT, Chen CP, Huang LY, Wu RCC, Cho WL, Fung CP: Acinetobacter baylyi како патоген за опортунистичка инфекција. Весник за клиничка микробиологија. 2008, 46 (9): 2938-2944. 10.1128/JCM.00232-08.

Dijkshoorn L, Nemec A, Seifert H: Зголемена закана во болниците: отпорни на повеќе лекови Acinetobacter baumannii. Нат Рев Микробиол. 2007, 5 (12): 939-951. 10.1038/nrmicro1789.

Дејвис КА, Моран КА, Мекалистер ЦК, Греј ПЈ: Мултирезистентен Acinetobacter инфекции на екстремитетите кај војниците. Емерг Инфект Дис. 2005, 11 (8): 1218-1224.

Немец А, Мусилек М, Маикснерова М, Де Баере Т, Рајден ван дер ТЈ, Ванеехуте М, Дајкшорн Л: Acinetobacter beijerinckii сп. ноем. и Acinetobacter gyllenbergii sp. Ноември, хемолитички организми изолирани од луѓе. Int J Syst Evol Microbiol. 2009, 59 (Пт 1): 118-124. 10.1099/ijs.0.001230-0.

Dijkshoorn L, Nemec A: Разновидноста на родот Acinetobacter. Молекуларна микробиологија Acinetobacter . Уреди: U. Gerischer. 2008, Caister Academic Press, 1-34.

Iacono M, Villa L, Fortini D, Bordoni R, Imperi F, Bonnal RJP, Sicheritz-Ponten T, De Bellis G, Visca P, Cassone A, и сор.: Пиросеквенцирање на целиот геном на епидемија мултирезистентна на лекови Acinetobacter baumannii сој кој припаѓа на европскиот клон II група. Антимикробни агенси и хемотерапија. 2008, 52 (7): 2616-2625. 10.1128/AAC.01643-07.

Reams AB, Neidle EL: Пластичност на геномот во Acinetobacter: нови деградативни способности стекнати со спонтано засилување на големи хромозомски сегменти. Молекуларна микробиологија. 2003, 47 (5): 1291-1304. 10.1046/j.1365-2958.2003 година.03342.х.

Mugnier P, Poirel L, Pitout M, Nordmann P: Отпорни на карбапенем и OXA-23 изолати Acinetobacter baumannii во Обединетите Арапски Емирати. Клиничка микробиологија и инфекции. 2008, 14 (9): 879-882. 10.1111/j.1469-0691.2008.02056.х.

Марти С, Санчез-Цеспедес Ј, Бласко МД, Руиз М, Еспинал П, Алба В, Фернандез-Куенка Ф, Пасквал А, Вила Ј: Карактеризација на карбапенем-хидролизирачката оксацилиназа Окса-58 во Acinetobacter геновидови 3 клинички изолат. Антимикробни агенси и хемотерапија. 2008, 52 (8): 2955-2958. 10.1128/AAC.00072-08.

Hawkey PM, Munday CJ: Повеќекратна отпорност кај грам-негативни бактерии. Осврти во медицинска микробиологија. 2004, 15 (2): 51-61.

Бах Х, Гутник ДЛ: Нови амфипатски формулации базирани на полисахариди-протеини. Применета микробиологија и биотехнологија. 2006, 71 (1): 34-38. 10.1007/s00253-005-0149-9.

Моралес-Хименез Ј, Зунига Г, Вила-Танака Л, Хернандез-Родригез Ц: Бактериска заедница и фиксација на азот во црвената терпентинска буба, Dendroctonus valens LeConte (Coleoptera: Curculionidae: Scolytinae). Microb Ecol. 2009 година

de Vries J, Wackernagel W: Интеграција на туѓа ДНК при природна трансформација на Acinetobacter sp со нелегитимна рекомбинација олеснета со хомологија. Зборник на трудови на Националната академија на науките на Соединетите Американски Држави. 2002, 99 (4): 2094-2099. 10.1073/pnas.042263399.

Young DM, Parke D, Ornston LN: Можности за генетско истражување овозможени од Acinetobacter baylyi, хранливо разновиден бактериски вид кој е високо компетентен за природна трансформација. Annu Rev Microbiol. 2005, 59: 519-551.10.1146/annurev.micro.59.051905.105823.

Decorosi F, Mengoni A, Baldi F, Fani R: Идентификација на гените на алкан моноксигеназа во Acinetobacter venetianus VE-C3 и анализа на мутанти нарушени во деградацијата на дизел горивото. Анали на микробиологија. 2006, 56 (3): 207-214. 10.1007/BF03175007.

Barberio C, Fani R: Biodiversity of an Acinetobacter популација изолирана од активна тиња. Истражување во микробиологија. 1998, 149 (9): 665-673. 10.1016/S0923-2508(99)80014-X.

Mengoni A, Ricci S, Brilli M, Baldi F, Fani R: Секвенционирање и анализа на плазмидите pAV1 и pAV2 на Acinetobacter venetianus VE-C3 вклучен во деградација на дизел горивото. Анали на микробиологија. 2007, 57 (4): 521-526. 10.1007/BF03175349.

Озборн А.М., Брус К.Д., Страјк П. FEMS Microbiol Rev. 1997, 19 (4): 239-262. 10.1111/j.1574-6976.1997.tb00300.x.

Kholodii G, Mindlin S, Gorlenko Z, Petrova M, Hobman J, Nikiforov V: Translocation of transposition-deficient (како Tn(d)PKLH2-како) транспозони во природната средина: механички увиди од проучувањето на соседните секвенци на ДНК. Микробиологија-Sgm. 2003, 150: 979-992. 10.1099/mic.0.26844-0.

Тиан В, Сколник Ј: Колку добро е зачувана ензимската функција како функција на идентитетот на парната низа?. Ј Мол Биол. 2003, 333 (4): 863-882. 10.1016/j.jmb.2003.08.057.

Gonzalez FA, Bonapace E, Belzer I, Friedberg I, Heppel LA: Два различни рецептори за ATP може да се разликуваат во швајцарските 3T6 фибробласти на глувци по нивната десензибилизација. Biochem Biophys Res Commun. 1989, 164 (2): 706-713. 10.1016/0006-291X(89)91517-9.

Walther-Rasmussen J, Hoiby N: карбапенемази од типот OXA. Ј Антимикробна Хемодер. 2006, 57 (3): 373-383. 10.1093/jac/dki482.

Soisson SM, MacDougall-Shackleton B, Schleif R, Wolberger C: Структурна основа за олигомеризација на AraC регулирана со лиганди. Науката. 1997, 276 (5311): 421-425. 10.1126/наука.276.5311.421.

Heuer H, Szczepanowski R, Schneiker S, Puhler A, Top EM, Schluter A: Целосните секвенци на плазмидите pB2 и pB3 обезбедуваат докази за неодамнешен предок на групата IncP-1beta без никакви дополнителни гени. Микробиологија. 2004, 150 (Пт 11): 3591-3599. 10.1099/mic.0.27304-0.

Rawlings DE: Еволуцијата на pTF-FC2 и pTC-F14, два поврзани плазмиди од семејството IncQ. Плазмид. 2005, 53 (2): 137-147. 10.1016/j.плазмид.2005 година.01.001.

Jerke K, Nakatsu CH, Beasley F, Konopka A: Компаративна анализа на осум Артробактерија плазмиди. Плазмид. 2008, 59 (2): 73-85. 10.1016/j.плазмид.2007 година.12.003.

Mann BA, Slauch JM: Трансдукција на плазмиди со мал број на копии од бактериофагот P22. Генетика. 1997, 146 (2): 447-456.

Vaneechoutte M, Young DM, Ornston LN, De Baere T, Nemec A, Reijden Van Der T, Carr E, Tjernberg I, Dijkshoorn L: Природно трансформиран Acinetobacter sp сојот ADP1 припаѓа на новоопишаниот вид Acinetobacter baylyi. Применета и еколошка микробиологија. 2006, 72 (1): 932-936. 10.1128/AEM.72.1.932-936.2006 година.

Вотсон СК, Картер П.Е.: Влијанија на животната средина врз Acinetobacter трансформација на сој BD413 во почва. Биологија и плодност на почвите. 2008, 45 (1): 83-92. 10.1007/s00374-008-0314-2.

Pontiroli A, Rizzi A, Simonet P, Daffonchio D, Vogel TM, Monier JM: Visual Evidence of Horizontal Gene Transfer помеѓу растенијата и бактериите во фитосферата на транспластомскиот тутун. Применета и еколошка микробиологија. 2009, 75 (10): 3314-3322. 10.1128/AEM.02632-08.

Џонсборг О, Елдхолм V, Хаварштајн ЛС: Природна генетска трансформација: преваленца, механизми и функција. Истражување во микробиологија. 2007, 158 (10): 767-778. 10.1016/j.resmic.2007.09.004.

Barbe V, Vallenet D, Fonknechten N, Kreimeyer A, Oztas S, Labarre L, Cruveiller S, Robert C, Duprat S, Wincker P, et al: Единствени карактеристики откриени од геномската секвенца на Acinetobacter sp ADP1, разноврсна и природна компетентна бактерија за трансформација. Истражување за нуклеински киселини. 2004, 32 (19): 5766-5779. 10.1093/nar/gkh910.

Iwaki M, Arakawa Y: Трансформација на Acinetobacter sp BD413 со ДНК од комерцијално достапни генетски модифицирани компири и папаја. Писма во применета микробиологија. 2006, 43 (2): 215-221. 10.1111/j.1472-765X.2006.01924.х.

Vallenet D, Nordmann P, Barbe V, Poirel L, Mangenot S, Bataille E, Dossat C, Gas S, Kreimeyer A, Lenoble P, et al: Компаративна анализа на Ацинетобактерии: три геноми за три животни стилови. PLoS ONE. 2008, 3 (3): e1805-10.1371/journal.pone.0001805.

Fournier PE, Vallenet D, Barbe V, Audic S, Ogata H, Poirel L, Richet H, Robert C, Mangenot S, Abergel C, и сор.: Компаративна геномика на отпорност на повеќе лекови кај Acinetobacter baumannii. PLoS Genet. 2006, 2 (1): e7-10.1371/journal.pgen.0020007.

Smith MG, Gianoulis TA, Pukatzki S, Mekalanos JJ, Ornston LN, Gerstein M, Snyder M: Нови сознанија за Acinetobacter baumannii патогенезата откриена со пиросеквенционирање со висока густина и транспозонска мутагенеза. Genes Dev. 2007, 21 (5): 601-614. 10.1101/gad.1510307.

Barbe V, Vallenet D, Fonknechten N, Kreimeyer A, Oztas S, Labarre L, Cruveiller S, Robert C, Duprat S, Wincker P, et al: Единствени карактеристики откриени од геномската секвенца на Acinetobacter сп. ADP1, разноврсна и природна компетентна бактерија за трансформација. Nucleic Acids Res. 2004, 32 (19): 5766-5779. 10.1093/nar/gkh910.

Altschul SF, Madden TL, Schaffer AA, Zhang J, Zhang Z, Miller W, Lipman DJ: Gapped BLAST и PSI-BLAST: нова генерација програми за пребарување на база на податоци за протеини. Nucleic Acids Res. 1997, 25 (17): 3389-3402. 10.1093/nar/25.17.3389.

Dorsey CW, Tomaras AP, Actis LA: Секвенца и организација на pMAC, а Acinetobacter baumannii гени кои содржат плазмиди вклучени во отпорноста на органски пероксид. Плазмид. 2006, 56 (2): 112-123. 10.1016/j.плазмид.2006 година.01.004.

Zarrilli R, Vitale D, Di Popolo A, Bagattini M, Daoud Z, Khan AU, Afif C, Triassi M: Плазмидниот ген blaOXA-58 дава отпорност на имипенем на Acinetobacter baumannii изолати од либанска болница. Антимикробни агенси Chemother. 2008, 52 (11): 4115-4120. 10.1128/AAC.00366-08.


Возила, репликатори и меѓуклеточно движење на генетски информации: еволутивна дисекција на бактериска клетка

Прокариотската биосфера е многу разновидна во многу аспекти. Секоја дадена бактериска клетка може да содржи во различни комбинации вируси, плазмиди, транспозони и други генетски елементи заедно со нивниот хромозом(и). Овие агенси комуницираат во сложени средини на различни начини предизвикувајќи мноштво фенотипски ефекти врз нивните клетки домаќини. Во оваа дискусија изведувам дисекција за бактериска клетка со цел да ја поедноставам разновидноста во компоненти кои можат да помогнат да се приближи до океанот на детали во микробните светови што се развиваат. Самата клетка е одвоена од сите генетски репликатори кои го користат клеточното возило за зачувување и размножување. Воведувам класификација која групира различни репликатори според нивниот хоризонтален потенцијал за движење помеѓу клетките и според нивните ефекти врз соодветноста на нивните сегашни клетки домаќини. Класификацијата се користи за да се дискутира и подобри средствата со кои им пристапуваме на општите еволутивни тенденции во микробните заедници. Покрај тоа, класификацијата се користи како алатка за да се помогне во формулирањето на еволутивните хипотези и да се дискутираат новите бактериски патогени, како и да се промовира разбирањето на просечните фенотипови на различни репликатори воопшто. Исто така, се дискутира дека секоја дадена биосфера која содржи прокариотски клеточни возила и генетски репликатори може природно да еволуира за да има хоризонтално подвижни репликатори од различни типови.

1. Вовед

Познато е дека вирусите кои ги инфицираат прокариотските клетки се енормно разновидни во однос на генетските информации [1, 2]. Повеќето нови вирусни изолати веројатно имаат барем некои гени кои немаат хомолози меѓу кој било од претходно познатите гени, вклучувајќи ги и оние во геномите на сродните вируси [3]. Сепак, имаше спор дали навистина може да се појават нови гени во вирусите [3]. Вирусите се зависни од клеточните ресурси како што се нуклеотидите, амино киселините и липидите за производство на повеќе вируси, затоа се чини оправдано да се праша дали тие исто така користат клеточни гени за нивните генетски информации. Сепак, кога вирусните гени се споредуваат со другите гени во базите на податоци, често се чини дека тие немаат клеточни колеги [2]. Тогаш од каде доаѓаат овие вирусни гени? Дали се добиени од клеточен домаќин што едноставно не сме го секвенционирале порано? Или алтернативно, дали клеточните гени можеби само брзо се развиваат во вирусните геноми, така што нивното заедничко потекло со гените на домаќинот повеќе не може да се изведе? Или можеби, дали навистина е можно нови гени да се појават во самите вируси?

Фортере и Прангишвили од институтот Пастер тврдеа дека суштината на спорот се чини дека е во идејата дека вирусите често се сметаат за само нивни екстрацелуларни форми обложени со протеини [4] кои само ги крадат клеточните ресурси (вклучувајќи гени) за свои цели. [3, 5, 6]. Земете кој било учебник за вируси и повеќето од сликите што ги претставуваат вирусите се од различни типови на вирусни обвивки составени од протеини (а понекогаш и липиди) кои го опфаќаат вирусниот геном. Но, овие заразни вирусни честички, или вириони, се инертни во сите погледи, освен ако не наидат на чувствителна клетка домаќин [7]. И поради оваа инертност на вирионите, тешко е да се разбере како вирусот некогаш може да дојде до сосема нови гени.

Одговорот е, природно, дека вирусите не можат да произведат нови гени за време на нивната екстрацелуларна состојба, и затоа секој потенцијален настан за појава на нов вирусен ген сепак мора да се случи во клетката за време на циклусот на репликација на вирусот [5]. Но, ако генот се појави во геномот на вирусот, тогаш дали попрво ќе биде вирусот, а не клетката, која е основачот на тој ген? Или, поинаку кажано, не беше вирусот тој што имаше корист од појавата на нови генетски информации? Вистинскиот процес што предизвикува генетската информација да се здобие со статус на ген сепак би се должи на слични процеси како потеклото на гените во хромозомите (ова се различни видови на генетски промени, како што се точки мутации, вметнувања, бришења, дупликации на гените, итн.), но овие промени би биле избрани поради нивните подобрувања на кондицијата на вирусот. Ова размислување го натера Фортер да предложи модел каде што вирусите се гледаат во суштина како клеточен животен облик кој исто така може да има екстрацелуларна состојба [7, 8]. Вирусот не е строго еквивалентен на вирусниот геном затворен со протеини. Наместо тоа, екстрацелуларната форма на вирусот треба да се означи како вирион, и овој вирион не треба да се меша со вирус. Вирусите, во целосна смисла, се организми кои живеат во клетките (т.е. организми кои кодираат рибозоми) и можат да трансформираат други клетки во организми од вирусно-клетка со производство на повеќе вириони. Со други зборови, вирусите можат да користат екстрацелуларна инкапсулирана форма за да ги пренесат своите генетски информации од една клетка во друга. Фортере измисли термин вироцел, што се однесува на фазата на вирусниот живот за време на која вирусот е во клетката [7]. Вироклеточниот организам навистина е и вирус (кодирање на капсиди) и (рибозом кој кодира) хромозом, а вистинскиот фенотип на вироклетот е кодиран од двата од овие генетски ентитети. Вироклетките се целосно способни да дојдат до нови генетски информации исто како и клетките, и на тој начин пристапот кон вирусите од оваа перспектива треба да ги расчисти сите контроверзи за појавата на нови генетски информации кај вирусите.

Расудувањето на Фортере заедно со моите сопствени студии за различни различни генетски елементи (вклучувајќи карактеризација на умерените и вирулентни вируси [9, 10] определување на заедничкиот предок помеѓу плазмидите, вирусите и хромозомските елементи [11] спроведување на еволуциски експерименти со бактерии, вируси, и плазмиди [12, 13] како и повеќе теоретска работа за хоризонтално движење на генетските информации [14, 15]) послужи како инспирација за овој труд. Навистина, би можело да се тврди во поопшти термини што значи дека прокариотските клетки можат да бидат (и често се) химери на различни видови генетски репродуцирачки елементи. Концептот Virocell ефикасно отстранува многу од забуните помеѓу вирусите и вирионите и нивната врска со клетките. Сепак, вироцелот е само посебен случај меѓу сите можни типови на прокариотски организми. Бактериските и археалните клетки може да содржат и конјугативни плазмиди, разни видови транспозони, неисправни профаги и многу други независни репликатори кои се разликуваат од рибозомот што го кодира прокариотскиот хромозом. Заедно овие репликатори можат да произведат организми во сите можни комбинации. Со цел аргументите за вироклетките да бидат конзистентни со другите потенцијални химери на генетските репликатори, самата клетка мора да се смета како посебен ентитет од сите генетски репликатори (вклучувајќи ги и хромозомите) кои ја искористуваат клеточната структура за репликација. Во следните поглавја ќе извршам еволутивна дисекција на бактериска клетка. Ова ќе доведе до одвојување на клеточните возила и репликаторите едни од други и на тој начин ќе обезбеди еден потенцијален начин да се пристапи кон еволуцијата на бактериските организми.

2. Возила и репликатори

Возило е секоја единица, доволно дискретна за да изгледа дека вреди да се именува, во која се сместени колекција на репликатори и која работи како единица за зачувување и ширење на тие репликатори“, напиша Ричард Докинс Проширен фенотип. Докинс ги користел концептите на репликатори и возила во аргумент кој вели дека еволуцијата на крајот функционира на ниво на генетски информации, а не на ниво на популации на организми, видови, па дури и клетки. Репликаторите се однесуваат на пакети со генетски информации кои се одговорни за секој ефективен фенотип на возилото. Самото возило може да биде клетка, повеќеклеточен организам или, на пример, организам домаќин на паразит. “Возилото не е репликатор“, тврди Докинс во обид да подвлече дека еволуира репликаторот (како хромозомот на паразитот), а не возилото (како паразитираната клетка). Оваа разлика, сепак, понекогаш може да биде навидум тривијална, поради што предизвика одредена дисонанца меѓу еволутивните биолози.

Сепак, работата на Докинс главно се фокусираше на објаснување на еволутивните прашања на еукариотските организми, но еволуцијата насочена кон репликаторот природно функционира и во и помеѓу прокариотските клетки. Навистина, постои огромна разновидност на различни форми на генетски репликатори кои користат возила на прокариотски клетки за нивно зачувување и размножување. Секој конкретен прокариот што живее во оваа биосфера, бидејќи е бактерија на вашето чело или археон на дното на Тихиот океан, има хромозом, но може да биде домаќин и на збирка други репликатори, вклучувајќи плазмиди, транспозони и вируси. Некои од репликаторите, како конјугативните плазмиди и вирусите, се способни активно да се движат помеѓу достапните возила во неговата околина, со што овие репликатори се помалку зависни од опстанокот на која било конкретна лоза на клеточни возила. Затоа, тие не се инхерентен дел на која било одредена бактерија и затоа може да се сметаат како различни форми на генетски реплицирачки ентитети кои ги користат клетките за нивно размножување и опстанок (слично со вирусите во концептот на Фортере вироцели).

Континуираната борба за постоење во и помеѓу прокариотските возила ги модифицира фенотиповите на репликаторите. Направена е многу теоретска и експериментална работа со цел да се разјаснат функциите и еволутивните траектории на вирусите, бактериските клетки и плазмидите во различни еколошки контексти и под различни притисоци на селекција. Меѓутоа, во оваа дискусија јас се оддалечувам од секој конкретен тип на репликатор или организам и истражувам од општа перспектива дали потенцијалот на странично движење (или недостатокот од него) на репликаторите може да помогне да се осветлат некои еволутивни аспекти на прокариотската биосфера . Оваа дискусија се обидува да обезбеди интуитивен поглед на себичните гени и различните видови на репликатори во бактериските и археалните клетки. Мојата намера е да го одржам текстот едноставен и читлив без оглед на експертизата на читателот за бактерии, вируси, плазмиди или, за таа работа, еволутивна теорија. Згора на тоа, со оглед на огромното количество детали во микробиолошкиот свет, се надевам дека читателите сфаќаат дека одредени агли мораше да се исечат на различни места за да се задржи текстот во реална должина.

Понатаму, во обид да се задржи едноставноста, во овој труд се користат следната номенклатура и дефиниции. А мобилно возило означува прокариотска клетка со мембрани, ресурси и сè друго освен што исклучува каков било генетски материјал. Лоза на мобилен-возило означува едно возило и негов директен потомок кои се појавуваат со клеточна делба. А репликатор е секоја доволно дискретна збирка на генетски материјал (што изгледа вреди да се именува), што го користи клеточното возило за негово зачувување и размножување. Репликаторите се реплицираат како посебни единици кои формираат кохерентна колекција на генетски материјал што може да се одвои со разумен напор од другите репликатори. Репликаторите може да се реплицираат како дел од репликацијата на други репликатори, бидејќи интегративните вируси се реплицираат заедно со множењето на хромозомот на домаќинот, но во суштина овие два репликатори може да се означат како два различни ентитета имајќи предвид дека интегративниот вирус може да ги реплицира неговите генетски информации, исто така, одделно. од репликацијата на хромозомот. Средството со кое се реплицираат генетските информации на репликаторот не е релевантно. Сепак, претпочитам да не давам премногу строга дефиниција за репликаторот, бидејќи тоа веројатно ќе доведе до непродуктивни аргументи за расцепување на косата.Сепак, мора да се забележи дека репликаторите не вклучуваат рибозоми или други нуклеински киселини кои содржат молекули кои во суштина имаат ензимска функција, но кои не се користат како образец за нивна репликација. Вертикална врска или вертикалното наследување на репликаторот покажува дека овој генетски репликатор се зачувува во рамките на поделбата на клеточните возила. Потенцијал за хоризонтално движење означува дека репликаторот е способен да се воведе во лоза на клеточно возило каде што репликаторот претходно отсуствувал. Секоја карактеристика што е кодирана или индуцирана од репликатор се означува како a фенотип. Слика 1 ги поврзува овие термини со нивните биолошки колеги.


ПРИЛОГ Г

Ние пресметуваме Тстр, очекуваното време на упорност на плазмидот во популација со селективни бришења. Тоа го правиме со пресметување за возврат на елементите од равенката 11 во текстот, кој дефинира Тстр. Најголем дел од напорот (нагоре преку равенката D13) е во пресметувањето ПР потоа даваме изрази за Та и Тѓ.

Прво, ние пресметуваме ПР, веројатноста дека, по појавата на хромозомска варијанта, плазмидот е спасен со селективно чистење пред да исчезне. Првично, да претпоставиме дека хромозомската варијанта се појавува во одредено време т = 0.

Потоа, забележете го тоа ПР е дадено со P R = ∫ 0 ∞ P M ( t ) P X ( t ) d t , (D1) каде ПМ(т) е веројатноста првиот мутант да се појави за време на интервалот [т, т + dt) следејќи ја појавата на хромозомот и ПX(т) е веројатноста дека плазмидот е префрлен во мутантската лоза за време на неговото селективно бришење, со оглед на тоа што бришењето започнало во интервалот [т, т + dt).

Немајќи добра причина да се направи посложена претпоставка, претпоставуваме дека новите мутации пристигнуваат во популацијата како Поасонов процес со константна стапка σ. Тогаш P M ( t ) = σ e − σ t . (Д2)

Да се ​​пресмета ПX(т) го користиме следниов модел. Размислете за локално адаптирано население со фиксна густина Н во волумен В, за да има NV присутни бактерии. Популацијата првично се состои од бактерии кои го носат фокалниот ген на плазмидот, кои имаат густина П(т) на време ти бактерии кои го носат фокалниот ген на нивниот хромозом, кои имаат густина В(т). Претпоставуваме дека сите фитнес ефекти се мултипликативни, дека фитнес предноста на фокалниот ген е β и дека фитнес трошокот на плазмидот е α. Тогаш хромозомската и плазмидната популација имаат стапки на раст ψ(1 + β) и ψ(1 + β) (1 - α), соодветно. По појавата на мутант, ја следиме густината на мутанти во популацијата како М(т), и претпоставуваме дека мутацијата што ја носи носи фитнес предност б, давајќи му стапка на раст од ψ(1 + б), бидејќи не го носи ниту фокалниот ген ниту плазмидот. За математичка едноставност, ја занемаруваме сегрегацијата, која не ги менува квалитативните резултати. Вредностите на овие параметри се ограничени со следните претпоставки:

Фитнес придобивката од фокалниот ген е поголема од фитнесната цена на плазмидот: β > α/(1 - α).

Фитнес придобивката од новата мутација е поголема од онаа на фокалниот ген (така што фокалниот ген ќе оди на фиксација): б > β.

Последица на критериумот Стјуарт и Левин: плазмидот не можеше да опстои во конкуренција со хромозомската верзија со тоа што го надополнува својот фитнес товар со пренос: γН < ψα(1 + β).

За да ги моделираме промените во густината (следени со големи букви) на носители на плазмиди, хромозоми и мутанти (игнорирајќи ги трансконјугантите во моментот), наметнувајќи ограничување на константна големина на населението, имаме d P (t ) dt = [ Ψ ( 1 − α ) ( 1 + β ) − Ψ ¯ ] P + γ PC (D3) d C ( t ) dt = [ Ψ ( 1 + β ) − Ψ ¯ ] C − γ PC (D4) d M ( t ) dt = [ Ψ ( 1 + b ) − Ψ ¯ ] M , (D5) каде што Ψ ¯ ( t ) = Ψ [ ( 1 − α ) ( 1 + β ) P ( t ) + ( 1 + β ) C ( t ) + ( 1 + b ) M ( t ) ] ∕ N е пондерирана просечна стапка на раст на населението во тоа време т и се одзема од индивидуалните стапки на раст за да се одржи постојана големина на населението.

Претпоставуваме дека хромозомот се појавува кај т = 0 во една бактерија тоа одговара на почетната густина од В(0) = 1/В. По појавата на хромозомот, но пред да влезе мутант во популацијата, ги разгледуваме само фреквенциите на хромозомските и плазмидните типови. За време на овој период, ја следиме фреквенцијата на плазмидниот тип, стр = П/(П + В), што може да се пресмета од (D3) и (D4) како d p ( t ) d t = [ γ N − Ψ α ( 1 + β ) ] p ( 1 − p ) . (Д6)

Ова има решение p ( t ) = ( N V − 1 ) e [ γ N − Ψ α ( 1 + β ) ] t 1 + ( N V − 1 ) e [ γ N − Ψ α ( 1 + β ) ] t . (Д7)

Да претпоставиме дека мутантот се појавува во одредено време т = т*. Во моментот на појавата на мутантот, густината на носители на плазмиди, хромозомите и мутантите, соодветно, во популацијата се дадени со P ( t ∗ ) = ( N − 1 ∕ V ) p ( t ∗ ) (D8 ) C ( t ∗ ) = ( N − 1 ∕ V ) ( 1 − p ( t ∗ ) ) (D9) M ( t ∗ ) = 1 ∕ V , (D10) каде стр(т*) е дадена со (D7). По појавата на мутантот, динамиката на овие три популации е дадена со равенките D3, D4 и D5, оваа динамика се состои од зголемување на бројот на мутанти (селективно чистење) додека бројот на носители на плазмиди и хромозоми се намалува.

Сакаме да пресметаме ПX, веројатноста дека плазмидот е префрлен барем еднаш на мутантската популација, создавајќи трансконјугант, пред да изумрат носителите на плазмидот. Го користиме очекуваниот број на трансконјуганти создадени за време на чистењето за да ја пресметаме веројатноста за производство на барем еден трансконјугант за време на метењето. Моменталната стапка на појавување на трансконјуганти за време на ова чистење е γП(т)М(т), така X(т*), очекуваниот број на трансконјуганти во селективно бришење почнувајќи од времето т = т*, се дава со X ( t ∗ ) = γ ∫ t ∗ ∞ P ( s ) M ( s ) d s , (D11) каде П(с) и М(с) се пресметуваат со интегрирање на равенките D3, D4 и D5, почнувајќи од т*, со почетните услови дадени со равенките D8, D9 и D10. Веројатноста ПX(т*) дека барем еден трансконјугант ќе се појави, тогаш, во селективно бришење со почеток во времето т*, се дава со P X ( t ∗ ) = 1 − e − X ( t ∗ ) . (Д12)

Заменувајќи од (D2) и (D12) во (D1), имаме PR = ∫ 0 ∞ σ e − σ t [ 1 − e − X ( t ) ] dt = ∫ 0 ∞ σ e − σ t [ 1 − e − γ ∫ t ∞ P ( s ) M ( s ) ds ] dt . (Д13)

Конечно, да се пресмета Тстр од равенката 11, потребни ни се изрази за Та и Тѓ. Претпоставувајќи дека во популација фиксирана за плазмидната верзија на генот, хромозомите се појавуваат како Поасонов процес со стапка χ, Та = 1/χ. Тѓ може да се приближи со претпоставка дека хромозомот се поправа бидејќи во овој случај не се случува селективно чистење, Тѓ е едноставно времето потребно за бројот на хромозоми да оди од 1 до > Н − 1, или еквивалентно, за фреквенцијата на плазмидните носители да се движи од 1 − 1/Н до <1/Н. Ова може да се пресмета од (D7) со поставување стр(Тѓ) = 1/Н во (Д7) и решавање за Тѓ. Ова дава T f = 2 ln ( N V − 1 ) Ψ α ( 1 + β ) − γ N . (Д14)

Забелешка за пресметување: (D3, D4 и D5) не може да се реши аналитички (H ofbauer и S igmund 1988). Сепак, лесно е да се решат со нумеричка интеграција. Фреквенцијата на клетките кои носат плазмиди секогаш ќе се намалува барем толку брзо како во (D7), бидејќи мутантите, доколку се појават, само ќе го забрзаат падот на плазмидот (игнорирање на трансконјугантите).

Затоа, разумно е да се прекине интеграцијата на Тѓ, времето во кое бројот на клетки кои носат плазмиди е <1. Така, за пресметковни цели, Тѓ може безбедно да се користи како горна граница на двата интеграли (заменувајќи го ∞) во (D13).



Коментари:

  1. Abdul-Salam

    Има нешто во врска со тоа, и мислам дека е добра идеја.

  2. Kojo

    Интересно е. Те молам кажи ми - каде можам да прочитам за ова?

  3. Sheehan

    Quick Answer, a sign of comprehensibility)



Напишете порака