Если Вы читаете это сообщение, то это значит, что у нас есть проблемы с загрузкой внешних ресурсов для нашего веб сайта.

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Основное содержание

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.
    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:
  1. Адсорбция: белки в "хвосте" фага связываются со специфическими рецепторами (в данном случае, глюкозный транспортёр) на поверхности бактериальной клетки.
  2. Проникновение: фаг вводит двухцепочечный геном ДНК в цитоплазму бактерии.
  3. Репликация ДНК и синтез белков: Происходит транскрипция вирусных генов и репликация его генетического материала, кроме того, синтезируются вирусные белки, например, белки капсида.
  4. Сборка нового фага: Капсиды собираются из капсидных белков, заполняют ДНК с образованием большого количества новых фагов.
  5. 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.
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.
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
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).
Изображение изменено из"Конъюгация," by Adenosine (CC BY-SA 3,0). Лицензия изменённого изображения — [CC BY-SA 3,0

Лизировать или нет?

Как фаг «решает», вступать в литический или лизогенный цикл при заражении бактерии? Одним из важных факторов является количество фагов атакующих клетку одновременно9. 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.
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 воздействий7,11.

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 Польшу12,13.
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!

Хотите присоединиться к обсуждению?

Пока нет ни одной записи.
Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.