Основное содержание

Course: Биология > Модуль 20

Урок 1: Вирусы

Бактериофаги

Вирусы, поражающие бактериальные клетки. Литический и лизогенный циклы.

Введение

Даже бактерии могут заразиться вирусом! Вирусы, поражающие бактерии, называются бактериофагами. Некоторые бактериофаги были подробно изучены в лабораториях, благодаря чему эти виды вирусов известны нам лучше других.

В этой статьи мы рассмотрим два разных цикла, используемые бактериофагами для заражения бактериальной клетки:

Литический цикл: Вирус заражает бактериальную клетку, затем воспроизводит себя и убивает клетку-хозяина, заставляя ее раствориться (лизис).
Лизогенный цикл: Фаг заражает бактерию и интегрирует свою ДНК в бактериальную хромосому, что приводит к тому, что встроенная ДНК фага (такая стадия жизненного цикла вируса называется профагом) уже реплицируется как часть хозяйской ДНК.

Давайте рассмотрим подробнее каждый из этих циклов.

Бактериофаг - это вирус, поражающий бактерии.

Бактериофаг или коротко фаг - это вирус, поражающий бактерии. Как и другие типы вирусов, фаги отличаются друг от друга не только по форме и величине, но и по химическому составу.

Геном фага может состоять как из ДНК, так и из РНК и содержать от четырех до нескольких сотен генов $^{1, 2, 3}$ ‍.
По форме капсид бактериофага может быть икосаэдрическим, нитевидным и хвостатым. Структура «хвостатых» бактериофагов уникальна для фагов и их близких родственников (что сильно отличает их от эукариотических вирусов) $^{4, 5}$ ‍.
Икосаэдрический фаг, хвостатый фаг и нитевидный фаг.
Изменённое изображение Кортиковирус," "T7," и "Иновирус, by ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0.

Инфицирование бактериофаг

Бактериофаги, как и другие вирусы, должны инфицировать клетку-хозяина, чтобы размножиться. Этапы процесса инфицирования в совокупности называются жизненным циклом фага.

Некоторые фаги могут размножаться только посредством литического цикла, в конце которого они уничтожают клетки-хозяина. Другие фаги могут выбирать между литическим и лизогенным циклом. В процессе лизогенного цикла вирусы не уничтожают клетки-хозяина, вместо этого их ДНК копируется каждый раз при делении клетки.

Разберем эти циклы подробнее. В качестве примера мы будем использовать фаг (

λ

), который заражает кишечную палочку E. coli и может развиваться по лизогенному и литическому пути в зависимости от характера взаимодействия клетки-хозяина

Литический цикл

В литическом цикле фаг действует как типичный вирус - проникает в клетку-хозяина и используют её ресурсы для создания большого количества новых фагов, в процессе чего клетка растворяется и умирает.

Изображение изменено из"Конъюгация," by Adenosine (CC BY-SA 3,0). Лицензия изменённого изображения — CC BY-SA 3,0. Изображение сделано по аналогии схемы, взятой из Alberts et al. $^{6}$ ‍

Стадии литического цикла:

Адсорбция: белки в "хвосте" фага связываются со специфическими рецепторами (в данном случае, глюкозный транспортёр) на поверхности бактериальной клетки.
Проникновение: фаг вводит двухцепочечный геном ДНК в цитоплазму бактерии.
Репликация ДНК и синтез белков: Происходит транскрипция вирусных генов и репликация его генетического материала, кроме того, синтезируются вирусные белки, например, белки капсида.
Сборка нового фага: Капсиды собираются из капсидных белков, заполняют ДНК с образованием большого количества новых фагов.
Лизис: в конце литического цикла фаг экспрессирует гены для синтеза белков, которые нарушают целостность плазматической мембраны и клеточной стенки. Отверстия впускают воду, в результате чего клетка расширяется и лопается, как переполненный водяной шар.

Разрыв клетки или лизис высвобождает сотни новых фагов, которые инфицируют соседние клетки-хозяева. Таким образом, несколько циклов литической инфекции могут позволить фагу распространяться, подобно лесному пожару, на популяцию бактериальных клеток.

Лизогенный цикл

Лизогенный цикл позволяет фагу размножаться без уничтожения клетки-хозяина. Некоторые фаги могут использовать только литический цикл, но фаг лямбда (

λ

), может переключаться между двумя циклами.

Большинство бактериофагов используют либо только литический цикл (иногда называемый вирулентным) либо и литический и лизогенный (также известный как умеренный) циклы.

Однако в вирусологии почти на каждое правило есть исключение, что справедливо и для жизненных циклов. Некоторые нитевидные фаги, в процессе высвобождения из клетки, не убивают клетку - хозяина (даже если клетка активно производит новые вирусные частицы)

^{7, 8}

. Этот, похожий на литический, цикл в действительности не заканчивается лизисом.

В лизогенном цикле первые два этапа (прикрепление и введение ДНК) происходят так же, как и в литическом. Однако, как только ДНК фага попадает внутрь клетки, она не сразу копируется и не начинает сразу же синтезировать белки. Вместо этого ДНК фага интегрируется в определенную область бактериальной хромосомы.

Не все бактериофаги интегрируют свою ДНК в геном хозяина в процессе лизогенного цикла. Некоторые из них сохраняют геном в клетке в виде отдельного круглого фрагмента ДНК

^{7}

Это так же считается, что в лизогенном цикле фаг не инициирует производство новых вирусных частиц и не убивает клетку-хозяина. Вместо этого он "молча", пассивно копируется вместе с ДНК клетки.

Интегрированная ДНК фага называется профагом. Она неактивна: ее гены не экспрессируются, и она не стимулирует выработку новых фагов. Однако, каждый раз, когда клетка-хозяин делится, ДНК фага копируется вместе с ДНК клетки-хозяина. Лизогенный цикл не такой явный (и менее "кровопролитный"), чем литический, но в итоге это просто еще один способ размножения фага.

При определённых условиях профаг может стать активным и вернуться из бактериальной хромосомы, запуская последующие стадии литического цикла (копирование ДНК и синтез белка, сборку фага и лизис).

Лизировать или нет?

Как фаг «решает», вступать в литический или лизогенный цикл при заражении бактерии? Одним из важных факторов является количество фагов атакующих клетку одновременно

^{9}

. Чем их больше, тем более вероятно, что будет выбран лизогенный цикл. Эта стратегия может предотвратить уничтожение фагов бактериальными клетками (атаку можно подавить, если соотношение фаг/бактерия становится слишком высоким)

^{10}

Если одну бактерию заражают несколько фагов, то статистически это грозит фагам уничтожением бактерии-хозяина

^{3}

Фаги, переключающиеся на лизогенный режим в результате множественного инфицирования, с меньшей вероятностью смогут покинуть хозяина и их популяция «вымрет», поскольку они стратегически перестают убивать хозяев, если их собственное количество становится слишком высоким. Примечательно, что если в геном клетки внедрился профаг, то она обретает иммунитет к заражению фагом того же типа.

^{4}

Таким образом, генетически заложенная способность переключаться на лизогенный цикл при слишком высокой численности могла возникнуть вследствие естественного отбора, именно поэтому он есть у современных фагов.

Что является стимулом для выхода профага из хромосомы и начала литического цикла? Как показали лабораторные исследования, большинство профагов в популяции активируется при наличии воздействий, повреждающих ДНК, например, УФ-излучение или химические вещества. Однако, небольшая часть профагов в популяции самопроизвольно входит в литический цикл без каких-либо внешних воздействий

^{7, 11}

Бактериофаги против антибиотиков

До открытия антибиотиков проводились серьезные исследования в области использования бактериофагов в качестве лекарства от бактериальных заболеваний человека. Бактериофаги атакуют только клетки бактерий, а не клетки человека, поэтому они теоретически могли бы быть использованы для лечения бактериальных заболеваний.

После открытия антибиотиков, изучение фагов во многих странах (особенно англоговорящих) было прекращено. Несмотря на это, фаги продолжают использовать в медицинских целях в ряде стран, включая Россию, Грузию и Польшу

^{12, 13}

В последнее время интерес к «фаговой терапии» снова возрос во всём мире, поскольку устойчивость к антибиотикам болезнетворных бактерий становятся всё более серьезной проблемой. Однако, ещё необходимы дополнительные исследования, чтобы увидеть насколько эффективно и безопасно применение бактериофагов. Но, кто знает, возможно, в один прекрасный день ваш врач выпишет вам рецепт на фаги вместо пенициллина!

Статья опубликована под лицензией CC BY-NC-SA 4,0

Использованные материалы:

Бактериофаги. (2016, Апрель 28). Источник: 9 Мая, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage.
Бактериофаг MS2. (2016, Февраль 17). Источник: 9 Мая, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage_MS2.
Brüssow, H. and Hendrix, R. W. (2002). Phage genomics: Small is beautiful. Cell, 108(1), 13-16. http://dx.doi.org/10,1016/S0092-8674(01)00637-7.
Dimmock, N. J., Easton, A. J., and Leppard, K. N. (2016). Virus particles with head-tail morphology. In Introduction to modern virology (7th ed., p. 27). West Sussex, UK: John Wiley & Sons.
Pietilä, M. K., Laurinmäki, P., Russell, D. A., Ko, C.-C., Jacobs-Sera, D., Hendrix, R. W., Bamford, H., and Butcher, S. J. (2013). Structure of the archaeal head-tailed virus HSTV-1 completes the HK97 fold story. PNAS, 110(26), 10604-10609. http://dx.doi.org/10,1073/pnas.1303047110.
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P. (2002). Figure 5,81. The life cycle of bacteriophage lambda. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/figure/A893/?report=objectonly.
Holmes, R. K. and Jobling, M. G. (1996). Genome organization. In S. Barron (Ed.), Medical microbiology (4th ed.). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7908/#_A453_.
Rakonjac, J. (2012). Filamentous bacteriophages: Biology and applications. In eLS. Chichester, UK: John Wiley and Sons. http://dx.doi.org/10,1002/9780470015902.a0000777.
Maloy, S. (2003, November 12). The lysis-lysogeny decision by phage lambda. In Microbial genetics. Retrieved from http://www.sci.sdsu.edu/~smaloy/MicrobialGenetics/topics/phage/lysis-lysogeny.html.
Abedon, S. T. (n.d.). Lytic-lysogeny decision. In Bacteriophage ecology group. Retrieved from http://www.archaealviruses.org/terms/lytic_lysogeny_decision.html.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The lysogenic cycle. In Campbell biology (10th ed., p.398). San Francisco, CA: Pearson.
Фаготерапия (2016, Май 4). Источник: 9 Мая, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Phage_therapy.
Abedon, S. T., Kuhl, S. J., Blasdel, B. G., and Kutter, E. M. (2011). Phage treatment of human infections. Bacteriophage, 1(2), 66-85. http://dx.doi.org/10.4161/bact.1.2.15845.

Дополнительные материалы:

Acheson, N. H. (2007). Bacteriophages. In Fundamentals of Molecular Virology. (1st ed., pp. 71-79). Hoboken, NJ: Wiley.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P. (2002). Conservative site-specific recombination can reversibly rearrange DNA. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/#_A890_.

Бактериофаги. (2016, Апрель 28). Источник: 9 Мая, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage.

Фаг лямбда. (2016, Март 10). Источник: 9 Мая, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda_phage.

OpenStax College, Biology. (2015, December 29). Viruses. In OpenStax CNX. Retrieved from https://cnx.org/contents/5ewKI2TO@3/Viruses.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2003). Bacteriophage reproduce by a lytic cycle or a lysogenic cycle. In Life: the science of biology (7th ed., pp. 259-261). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Raven, P. H. and Johnson, G. B. (2002). Bacterial viruses exhibit two sorts of reproductive cycles. In Biology (6th ed., pp. 668-669). Boston, MA: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Replicative cycles of phages. In Campbell biology (10th ed., pp. 396-398). San Francisco, CA: Pearson.

Швейцарский институт биоинформатики. (2016). Вирусная латентность. ViralZone http://viralzone.expasy.org/all_by_protein/3970.html.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Войти

Сортировать по:

Пока нет ни одной записи.

Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.