Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 24

Урок 1: Вируси

Бактериофаги

Вируси, заразяващи бактериите. Литичният и лизогенният цикли.

Въведение

Дори и бактериите могат да се заразят с вируси! Вируси, които инфектират бактерии, се наричат бактериофаги. Някои от тях са много добре проучени чрез лабораторни експерименти, което ги прави едни от вирусите, които познаваме най-добре.

В тази статия ще разгледаме два различни начина, по които бактериофагите могат да заразят бактериална клетка гостоприемник:

Литичен цикъл: фагът инфектира бактерия и я "превзема", за да създаде нови фаги, след това убива бактериалната клетка, като я разрушава (лизира я).
Лизогенен цикъл: фагът инфектира бактерия и вмъква своята ДНК в бактериалната хромозома. Това позволява на ДНК на фага (на този етап, наричана профаг) да се копира и да се предаде в следващото поколение на гостоприемника.

Нека погледнем отблизо всеки един от тези цикли.

Бактериофагът е вирус, който инфектира бактерии

Бактериофаг, или за по-кратко фаг, е вирус, който инфектира бактерии. Подобно на други вируси, бактериофагите могат да имат различна форма и различен вид генетичен материал.

Геномът на бактериофагите може да бъде изграден от ДНК или от РНК, той може да съдържа от четири до няколко хиляди гена $^{1, 2, 3}$ ‍.
Капсидът на бактериофагите може да е икосаедрален, пръчковиден или да се състои от глава и опашка. Структурата с глава и опашка е уникална за фагите и техните сродни вируси, тя не се среща при вируси, които заразяват еукариотни клетки $^{4, 5}$ ‍.
Икосаедрален фаг, фаг с глава и опашка, пръчковиден фаг.
Фигура, модифицирана от "Кортиковирус," "T7likevirus," и "Inovirus от ViralZone/Швейцарски институт по биоинформатика, CC BY-NC 4.0.

Инфекции от бактериофаги

Бактериофагите, също като останалите вируси, трябва да инфектират клетка гостоприемник, за да се възпроизведат. Всички стъпки, от които се състои процесът на инфекция, образуват жизнения цикъл на фага.

Някои фаги се размножават само чрез литичен цикъл, т.е. те разрушават и убиват клетката си гостоприемник. Други фаги могат да редуват литичния и лизогенния цикъл, при лизогенния цикъл те не убиват клетката гостоприемник и генетичният им материал се копира заедно с ДНК на клетката гостоприемник всеки път, когато тя се раздели.

Да разгледаме отблизо тези два цикъла. Като пример ще вземем фага, наречен ламбда (

λ

), който инфектира бактерията E. coli и може да редува литичен и лизогенен жизнен цикъл.

Литичен цикъл

При литичния цикъл фагът действа като типичен вирус, той "превзема" клетката гостоприемник и използва ресурсите ѝ за създаване на голям брой нови бактериофаги. Този процес води до лизирането (разрушаването) и смъртта на клетката.

Фигура, модифицирана от "Конюгация" от Аденозин (CC BY-SA 3.0). Модифицираното изображение е под лиценз CC BY-SA 3.0. На основата на подобна фигура от Албертс и колеги. $^{6}$ ‍

Етапите на литичния цикъл са:

Прикрепяне: белтъците в опашката на фага се свързват със специфичен рецептор на повърхността на бактериалната клетка, в този случай - белтък, който транспортира захари.
Проникване (пенетрация): фагът инжектира генома си, изграден от двойноверижна ДНК, в цитоплазмата на бактерията.
Копиране на ДНК и синтез на белтъци: ДНК на фага се копира и гените му се експресират, за да се синтезират белтъци като тези, изграждащи капсида на фага.
Формиране на нов фаг: от капсидните белтъци се образуват капсиди, които се запълват с ДНК. Така се формират нови бактериофаги.
Лизиране: късно в литичния цикъл се експресират гени на фага, кодиращи белтъци, които пробиват дупки в клетъчната мембрана и клетъчната стена. Тези дупки позволяват да навлезе вода в клетката, в резултат на това клетката започва да се разширява и се пръска като балон, който сме препълнили с вода.

Разрушаването на клетката или лизирането освобождава хиляди нови фаги, които могат да намерят и да инфектират други клетки гостоприемници в околността. По този начин само няколко цикъла на литична инфекция помагат на фага да се разпространи като пожар сред дадена бактериална популация.

Лизогенен цикъл

Чрез лизогенния цикъл бактериофагът се размножава без да убива гостоприемника си. Някои фаги използват само литичния цикъл, но фагът, който ние разглеждаме - ламбда (

λ

), може да превключва между двата цикъла.

Повечето фаги използват само литичния цикъл (вирулентни фаги) или могат да превключват между литичния и лизогенния цикъл (умерени фаги).

Но във вирусологията има изключения от почти всяко правило. Това важи и за жизнения цикъл на бактериофагите. Пръчковидните фаги се отделят от клетката чрез процес, който не лизира и не убива клетката, въпреки че тя активно произвежда нови фаги

^{7, 8}

. Това е жизнен цикъл, който е подобен на литичния, но не включва лизиране.

При лизогенния цикъл първите две стъпки (прикрепяне и инжектиране на ДНК) протичат по същия начин както при литичния цикъл. Въпреки това щом ДНК на фага се озове в клетката, тя не се копира веднага и не се експресира за създаване на белтъци. Вместо това тя се рекомбинира с определен регион от бактериалната хромозома. По този начин ДНК на фага се интегрира в хромозомата.

Не всички фаги интегрират своята ДНК в генома на гостоприемника по време на лизогенния цикъл. Вместо това геномът на някои фаги остава като отделна пръстеновидна ДНК в цитоплазмата на клетката гостоприемник

^{7}

Това се счита за лизогенен цикъл, тъй като фагът не започва производство на нови вирусни частици и не убива клетката, а остава "тих" и пасивно се копира заедно с ДНК на гостоприемника.

Интегрираната ДНК на фага се нарича профаг, тя не е активна, гените ѝ не се експресират и не започва производство на нови фаги. Но всеки път, когато клетката гостоприемник се раздели, профагът се копира "безплатно" заедно с ДНК на гостоприемника. Лизогенният цикъл не е толкова "зрелищен" и "кървав", колкото литичния, но в крайна сметка той също дава възможност на фага да се размножи.

При правилните условия профагът може да се активира и да излезе от бактериалната хромозома, отключвайки останалите стъпки от литичния цикъл (копиране на ДНК, синтез на белтъци, формиране на нови фаги и лизиране).

Да лизирам или да не лизирам?

Как бактериофагът "решава" дали да влезе в литичен, или в лизогенен цикъл, когато инфектира бактериална клетка? Важен фактор за това е броят на фагите, които инфектират една и съща клетка по едно и също време

^{9}

. Колкото по-голям е броят на фагите, които коинфектират една и съща клетка, толкова по-голям е шансът инфекцията да използва лизогенен цикъл. Тази стратегия пречи на фагите да унищожат напълно гостоприемника си, отслабвайки атаката, когато съотношението на фаг към гостоприемник е прекалено голямо

^{10}

Когато има много фаги, инфектиращи една и съща бактериална клетка, това предполага (статистически), че има опасност фагите да унищожат бактериалните си гостоприемници

^{3}

Фагите, които преминават към лизогенен цикъл, когато броят им е прекалено голям, имат по-малък шанс да унищожат гостоприемника си и да умрат като популация, защото могат стратегически да спрат да убиват гостоприемниците си, когато собствения им брой стане твърде голям. Важно е да отбележим, че щом дадена клетка има профаг в генома си, тя е имунизирана от инфекция с друг фаг от същия вид

^{4}

Генетичната склонност за преминаване към лизогенен цикъл при висок брой бактериофаги може да е била селектирана от естествения отбор, което обяснява защо фагите я имат и до днес.

Какво кара профага да излезе от хромозомата и да влезе в литичен цикъл? В лабораторни условия е установено, че фактори, които разрушават ДНК, като UV лъчи и химикали, реактивират повечето профаги в дадена популация. Но има и малка част профаги, които спонтанно навлизат в литичен цикъл, без наличието на подобни външни сигнали

^{7, 11}

Съпоставка на бактериофаги и антибиотици

Преди откриването на антибиотиците е имало много проучвания, които търсели начин за използване на бактериофаги за лечение на бактериални заболявания при хората. Бактериофагите атакуват само бактериите, които са техни гостоприемници, но не и човешките клетки. Това ги прави добри потенциални кандидати за лечение на бактериални заболявания при хората.

След откриването на антибиотиците идеята за използване на фаги до голяма степен е изоставена, особено в англоговорящите страни. Въпреки това фагите продължават да се използват за медицински цели в много страни, включително Русия, Грузия и Полша

^{12, 13}

Интересът към връщането на фагите и на други места по света се повишава, тъй като резистентността на бактериите към антибиотици става все по-голям проблем. Необходими са още изследвания, за да разберем колко безопасни и ефективни са фагите, но кой знае? Възможно е един ден лекарите да започнат да предписват фаги вместо пеницилин!

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Бактериофаг. (28-ми април 2016г.). Достъп на 9-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage.
Бактериофаг MS2. (17-ти февруари 2016г.). Достъп на 9-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage_MS2.
Брусов, Х. и Хендрикс, Р. У. (2002). Геномика на бактериофагите: малките неща са красиви. Cell 108(1) 13-16. http://dx.doi.org/10.1016/S0092-8674(01)00637-7.

Димок, Н. Дж., Истън, А. Дж. и Лепард, К. К. (2016). Морфология на вирусни частици с глава и опашка. Във Въведение в съвременната вирусология (7-мо издание, стр. 27). Западен Съсекс, Великобритания: Джон Уайли и синове.
Пиетила, М. К., Лоринмаки, П., Ръсел, Д. А., Ko, К. К., Джейкъбс-Сера, Д., Хендрикс, Р. У., Бамфорд, Х. и Бътчър, С. Дж. (2013). Структурата на вируса с глава и опашка HSTV-1, който инфектира археи, завършва историята на HK97. PNAS 110(26) 10604-10609. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1303047110.
Албъртс, Б., Джонсън, А., Луис, Дж., Раф, М., Робъртс, К. и Уолтър, П. (2002). Фигура 5.81. Жизненият цикъл на бактериофага ламбда. В Молекулярна биология на клетката (4-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: Гарланд Сайънс. Достъп от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/figure/A893/?report=objectonly.
Холмс, Р. К. и Джоблинг, М. Г. (1996). Организация на генома. В С. Барън (ред.), Медицинска бикробиология (4-то издание). Галвстън, Тексас: Тексаски унивеситет, Медицински факултет в Галвстън. Достъп от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7908/#_A453 _.
Раконяк, Дж. (2012). Пръчковидни бактериофаги: биология и приложения. В eLS. Чичестър, Великобритания: Джон Уайли и синове. http://dx.doi.org/10.1002/9780470015902.a0000777.
Малой, С. (12-ти ноември 2003 г.). Решението на фага ламбда за литичния и лизогенния цикъл. В Микробиологична генетика. Достъп от http://www.sci.sdsu.edu/~smaloy/MicrobialGenetics/topics/phage/lysis-lysogeny.html.
Ейбдън, С. Т. (няма дата). Изборът между литичен и лизогенен цикъл. В Екология на бактериофагите. Достъп от http://www.archaealviruses.org/terms/lytic_lysogeny_decision.html.
Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Лизогенният жизнен цикъл. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 398). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.
Терапия с бактериофаги. (4-ти май 2016 г.). Достъп на 9-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Phage_therapy.

Ейбдън, С. Т., Кул, С. Дж., Бласдел, Б. Г. и Кутер, Е. М. (2011). Лечение на човешки инфекции с фаги. Бактериофаг, 1(2), 66-85. http://dx.doi.org/10.4161/bact.1.2.15845.

Допълнителни източници:

Ачесън, Н. Х. (2007). Бактериофаги. В Основи на молекулярната вирусология. (1-во издание, стр. 71-79). Хобокен, Ню Джърси: Уайли.

Албъртс, Б., Джонсън, А., Луис, Дж., Раф, М., Робъртс, К. и Уолтър, П. (2002). Консервативна рекомбинация на специфични места може обратимо да пренареди ДНК. В Молекулярна биология на клетката (4-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: Гарланд Сайънс. Достъп от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/#_A890_.

Бактериофаг. (28-ми април 2016г.). Достъп на 9-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage.

Фаг ламбда. (10-ти март 2016 г.). Достъп на 9-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda_phage.

Колеж Оупънстакс, Биология. (29-ти декември 2015г.). Вируси. В OpenStax CNX. Достъп от https://cnx.org/contents/5ewKI2TO@3/Viruses.

Първс, У. К., Садава, Д. И., Орианс, Г. Х. и Хелър, Х. К. (2003). Бактериофагите се възпроизвеждат чрез литичен или лизогенен цикъл. В Живот: Науката биология (7-мо издание, стр. 259-261). Съндърланд, Масачузетс: Sinauer Associates.

Рейвън, П. Х. и Джонсън, Г. Б. (2002). Бактериалните вируси имат два вида цикъл на възпроизвеждане. В Биология (6-то издание., стр. 668-669). Бостън, Масачузетс: McGraw-Hill.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Цикъл на възпроизвеждане на фагите. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 396-398). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Швейцарски институт по биоинформатика. (2016г.). Латентност на вирусите. Във ViralZone. Достъп от http://viralzone.expasy.org/all_by_species/1936.html.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.