Nauka w ciemno

Bakteriofagi, enzymy i nowości ze świata mikrobiologii

Cykle życiowe bakteriofagów

Opublikowano

W

Bakteriofagi, tak jak inne organizmy także posiadają określone cykle życiowe. W sumie znamy ich 4 i omówimy je w poniższym artykule.

Cykle życiowe fagów

Znamy kilka cykli życiowych bakteriofagów: lityczny, lizogeniczny, pseudolizogeniczny i przewlekłej infekcji. Mimo różnic w każdym z tych cykli, możemy wyróżnić kilka cech wspólnego przebiegu tych procesów:

  1. adsorpcja faga do powierzchni komórki gospodarza,
  2. wniknięcie materiału genetycznego faga do wnętrza komórki,
  3. powielenie wirionów,
  4. uwolnienie ich i dalszą transmisję fagów.

W cyklu litycznym, jak z nazwy wynika, następuje liza komórki gospodarza. Natomiast w cyklu lizogenicznym bakteriofag wbudowuje się do materiału genetycznego gospodarza, dzięki czemu powstaje profag. Fag wbudowany do chromosomu bakteryjnego może w ten sposób nadać komórce bakteryjnej dodatkowe cechy, np. oporność na antybiotyk. Istnieją fagi, które mogą przechodzić oba te cykle w zależności od panujących warunków, przykładem takiego faga jest bakteriofag λ [Ryc. 1.].

Ryc. 1 . Schemat cyklu życiowego bakteriofagów na przykładzie bakteriofaga λ. Bakteriofag λ może przechodzić dwa cykle życiowe: lityczny i lizogeniczny. Najpierw następuje adsorpcja faga na powierzchni komórki bakteryjnej, w tym przypadku Escherichia coli i DNA faga zostaje wprowadzone do wnętrza komórki bakteryjnej. W cyklu lizogenicznym materiał genetyczny faga integruje się do chromosomu bakterii (tę formę nazywamy profagiem). Pod wpływem pewnych czynników zewnętrznych, np. obecność H2O2, może dojść do indukcji profaga i wycięcia go z chromosomu bakterii, w wyniku czego bakteriofag przechodzi w cykl lityczny. Następuje transkrypcja, translacja i replikacja a potem składanie faga i uwolnienie potomnych wirionów [Campbell 2003, zmienione].

Cykl lityczny

Fagi przeprowadzające ten rodzaj cyklu są wykorzystywane w terapii fagowej. Cykl lityczny prowadzi do lizy komórki bakteryjnej. Przebiega w następujący sposób:

  1. Pierwszym krokiem jest adsorpcja do komórki bakterii. Bakteriofagi rozpoznają specyficzne receptory obecne na komórce bakteryjnej. Mogą to być białka, lipopolisacharydy (LPS), kwas tejchojowy, fimbrie, flagellum i inne cząsteczki. Po adsorpcji do powierzchni komórki następuje wstrzyknięcie materiału genetycznego faga do wnętrza komórki gospodarza. Kapsyd faga pozostaje na zewnątrz (taki „pusty” kapsyd nazywa się cieniem faga).
  2. Kiedy materiał genetyczny faga znajduje się już w cytoplazmie gospodarza, to dochodzi do przeprogramowania funkcji komórki gospodarza.
  3. Następuje gwałtowna replikacja materiału genetycznego faga a także ekspresja strukturalnych i funkcjonalnych białek fagowych. Następnie cząsteczki wirusa są składane i zostaje do nich spakowany kwas nukleinowy.
  4. Równocześnie pojawiają się holiny, spaniny i endolizyny, które po złożeniu wirusów w całość odpowiadają kolejno za zrobienie otworów w błonie komórkowej, destabilizację błony oraz przecięcie peptydoglikanu, aby uwolnić cząstki fagowe. Wtedy następuje liza komórki gospodarza.

Cykl lizogeniczny

W cyklu lizogenicznym po wniknięciu kwasu nukleinowego do komórki gospodarza następuje jego wbudowanie do chromosomu bakteryjnego. Jak do tego dochodzi?

  1. Tutaj za przykład posłuży bakteriofag lambda, który jest fagiem mogącym przechodzić zarówno cykl lityczny jak i lizogeniczny. Po przedostaniu się do cytoplazmy gospodarza bakteriofag przyjmuje formę kolistą.
  2. W swoim genomie zawiera gen int, którego produktem jest integraza. W genomie faga znajduje się miejsce nazywane attP a w chromosomie bakteryjnym attB. Jest to miejsce przyłączenia się faga. Następuje miejscowo specyficzna rekombinacja i insercja faga. Bakteriofag, który połączony jest w ten sposób z chromosomem gospodarza nazywa się profagiem.
  3. Profagi można zaindukować poprzez działanie m. in. mitomycyną C, światłem UV, czy H2O2, aby doprowadzić do wycięcia faga i rozpoczęcia cyklu litycznego.

Cykl pseudolizogeniczny

W cyklu pseudolizogenicznym po wniknięciu materiału genetycznego do komórki gospodarza fag staje się nieaktywną formą. Bakteriofag wybiera tę drogę w momencie, gdy źródła składników odżywczych są ograniczone i brakuje komórek gospodarza, w których fag mógłby się namnożyć. Powstaje długotrwała infekcja gospodarza a materiał genetyczny faga dzieli się asymetrycznie przy podziale komórkowym.

Cykl przewlekłej infekcji

Cykl przewlekłej infekcji jest charakterystyczny dla fagów filamentowatych (nitkowatych). W tym cyklu fagi namnażają się bez zabijania komórki gospodarza a czasem są także częścią życia bakterii. Przykładami takich fagów są M13 i fag Ff. W taki cykl mogą przejść profagi oraz fagi tworzące episom. Przy opisywaniu poszczególnych etapów skupimy się na fagach episomalnych [Ryc. 2.].

Ryc. 2. Cykl życiowy faga Ff. Przy infekcji ssDNA (nić +) wnika do cytoplazmy. Główne białko płaszcza VIII integruje się do błony wewnętrznej. Następuje synteza (-) nici. Do replikacji nici (-) wykorzystana jest polimeraza DNA III pochodząca od gospodarza. Synteza nici (+) jest inicjowana przez białko pII (szare kółko). Powstaje wiele kopii replikacyjnej formy dsDNA, które służą do produkcji białek fagowych. Białka II, V i X pozostają w cytoplazmie kontrolując replikację. Białka pI, pIV i pXI tworzą kompleks transportowy łączący błonę wewnętrzną z błoną zewnętrzną (kolory żółty i pomarańczowy). Białka pVII, pIX, pVIII, pVI i pIII są wbudowane do błony przed składaniem cząsteczek wirusa. W późnej infekcji nici (+) są otoczone przez dimery fagowego ssDNA wiążąc białko pV by stworzyć substrat pakujący i przenieść do błony komórkowej w celu złożenia wirionów i ich uwolnienia [Jasna Rakonjac, etl al., 2011, zmienione].

Przebieg cyklu przewlekłej infekcji

  1. Fagi takie pierwotnie rozpoznają receptory na pili bakterii, a ich drugim receptorem jest kompleks białkowy znajdujący się w błonie wewnętrznej komórki gospodarza. Białko pIII faga wiąże się dwiema N-końcowymi domenami do obu receptorów, C-końcowa domena jest zaangażowana w usuwanie płaszcza wirionu. Materiał genetyczny faga dostaje się do wnętrza gospodarza.
  2. Białka fagowe, które są zaangażowane w replikację, to pII, pV i pX i są obecne w cytoplazmie. Pozostałe białka są zlokalizowane w błonie komórki. Ponieważ fagi te kodują niewiele białek, to między innymi polimeraza DNA III, która jest potrzebna podczas replikacji, pochodzi od gospodarza.
  3. W system rozpoznania sygnału do pakowania zaangażowane są białka pVII, pIX i pI. Kompleks składania fagów składa się z ATPazy/kanału białek pI/pXI i kanału błony wewnętrznej pIV.
  4. pIV tworzy beczkowaty kanał złożony z 3 pierścieni. Jest on na tyle duży, że zmieszczą się w nim pojedyncze fagi i mogą przejść przez błonę zewnętrzną wydostając się na zewnątrz. W przypadku faga M13 miano jakie może uzyskać to nawet 1013/mL.

Literatura

  1. Tomasz Olszak, Agnieszka Latka, Bartosz Roszniowski, Miguel A. Valvano i Zuzanna Drulis-Kawa1 (2017). Phage Life Cycles Behind Bacterial Biodiversity. Current Medicinal Chemistry, 24: 3987-4001, DOI: 10.2174/0929867324666170413100136
  2. Michael G Rossmann, Vadim V Mesyanzhinov, Fumio Arisaka I Petr G Leiman (2004). The bacteriophage T4 DNA injection machine. ELSEVIER, 14: 171-180, DOI: 10.1016/j.sbi.2004.02.001
  3. Casjens SR, Hendrix RW (2015). Bacteriophage lambda: Early pioneer and still relevant Virology, 479-480:310-30, DOI: 10.1016/j.virol.2015.02.010.
  4. Sylvain Gandon (2016). Why Be Temperate: Lessons from Bacteriophage λ. Trends in Microbiology, 24(5):356-365, http://dx.doi.org/10.1016/j.tim.2016.02.008
  5. Allan Campbell (2003). The future of bacteriophage biology. Nature.Reviews Genetics, 4(6):471-7, DOI: 10.1038/nrg1089
  6. Rakonjac, J., Bennett, N. J., Spagnuolo, J., Gagic, D., & Russel, M. (2011). Filamentous bacteriophage: biology, phage display and nanotechnology applications. Current issues in molecular biology, 13(2), 51-76. DOI:10.21775/cimb.013.051

Kategorie