Лизогения и умеренные фаги

Наряду с вирулентными фагами существуют умеренные фаги, отличающиеся от первых характером взаимодействия с бактериальной клеткой. Их основная особенность состоит в том, что они способны переходить из вегетативного состояния, присущего вирулентному фагу, в неинфекционную форму, названную профагом. Клетка, содержащая профаг в геноме, называется лизогенной и отличается от исходной наличием дополнительной генетиче­ской информации за счет генов профага. Это явление фаговой или лизогенной конверсии, т.к. профаг придает бактерии новые свойства, (лат. conversio – превращение).

Конвертироваться могут морфологические, культуральные, биохимические, антигенные и другие свойства бактерий. Например, наличие профага в дифтерийной палочке обусловливает ее способность продуцировать дифтерийный экзотоксин.

 

Лизогения l-типа

Большинство исследований по выяснению природы профага и лизогенного состояния проведено с ДНК-содержащим бактериофагом l, который сначала был обнаружен в виде профага, присутствующего в штамме К12E. coli. Где же локализован геном фага l в лизогенной клетке? Каков механизм, обеспечивающий синхронную репликацию этого генома и почти обязательную сегрегацию его реплик в дочерние клетки?

Опыты по рекомбинации позволяют проводить картирование бактериальной хромосомы. Если донор и реципиент отличаются по нескольким генетическим признакам, то, проводя анализ рекомбинантов, можно установить, какие гены были унаследованы им от родителя-донора, а какие – от реципиента. Чем ближе расположены друг к другу два гена на хромосоме донора, тем с более высокой частотой они будут совместно наследоваться одной и той же рекомбинантной клеткой. Такие гены называют тесно сцепленными.

При рекомбинации нелизогенных донорских клеток с несущими профаг l, реципиентными клетками профаг l наследуется таким образом, как будто бы он занимает определенное место на хромосоме бактерии между генами gal и bio, которые кодируют ферменты, участвующие соответственно в метаболизме галактозы и в биосинтезе биотина. Следовательно, профаг l прикреплен к бактериальной хромосоме и реплицируется синхронно с ней. При клеточном делении каждая дочерняя хромосома получает бактериальную хромосому вместе с прикрепленным к ней профагом l.

Сразу после того, как геном фага l проникает в клетку-хозяина, он замыкается в кольцо. Геном фага l имеет участок, который спаривается со специфическим участком бактериальной хромосомы, расположенным рядом с локусом gal. В результате единичного перекреста внутри области спаривания геном фага l оказывается встроенным в бактериальную хромосому. Встроенный в хромосому геном и представляет собой профаг l. Начиная с этого момента, он реплицируется уже как часть бактериальной хромосомы даже в том случае, если репликация свободной ДНК фага полностью подавляется фаговым репрессором.

Некоторые факторы (УФО) обусловливают «выщепление» фаговой ДНК из клеточной хромосомы, в этом случае начинается литический цикл развития фагов, клетка в конце концов лизируется высвобождает зрелые вирионы.

Как оказалось, описанные выше события происходят и при образовании профага рядом других фагов, родственных фагу l, поэтому данный вариант лизогении получил наименование «лизогения l -типа».

Итак, профаг представляет собой геном вируса, ассоциированный с бактериальной хромосомой. В отличие от генома вирулентного фага, функция которого определяет активную репродукцию вируса, профаг воспроизводится как часть бактериальной ДНК и синхронно с ней реплицируется. Некоторые фаги (Р1) локализуются в цитоплазме бактериальной клетки и не включаются в ее хромосому. Бактерия при этом выживает и нормально делится. В большинстве клеток потомства структурных вирусных белков не образуется, и большая часть генов вируса оказываются репрессированными. Однако изредка в отдельных клетках геном дерепрессируется, начинается литический цикл развития, клетка в конце концов лизируется высвобождает зрелые вирионы.

Бактериальные клетки, содержащие в своей хромосоме профаг, называются лизогенными, а явления, связанные с лизогенизацией, - лизогенией ( то же,что и вирогения). Это название отражает потенциальную способность лизогенных бактерий к продукции фага. Переход профага в вегетативный фаг в естественных условиях существования лизогенных бактерий происходит нечасто. В результате такого перехода отдельные клетки бактериальной популяции, в которых произошло указанное превращение, лизируются и освобождают фаговые частицы.

Одной из особенностей лизогенных бактерий является приобретенный ими иммунитет к последующему заражению одноименным фагом. Вследствие этого освободившиеся из отдельных клеток вирионы не оказывают действие на остальную популяцию лизогенных бактерий.

Выявить эти фаги можно путем посева лизогенной культуры или ее фильтрат, освобожденного от бактерий, на так называемую индикаторную культуру, не лизогенную по данному фагу. При заражении клеток индикаторной культуры освободившимся из лизогенных бактерий фагом одни из них лизируются в результате продуктивной инфекции, другие подвергаются лизогенизации. Поэтому на газоне индикаторной культуры под агаровым покрытием на чашке Петри образуются типичные для умеренных фагов мутные бляшки с более плотным центром. Наличие просветленного участка в бляшке обусловлено лизисом клеток, а мутность и уплотнение связаны с ростом лизогенизированных бактерий.

Продукция фага лизогенными бактериями значительно увеличивается при их облучении УФ-лучами или под влиянием некоторых химических соединений, взаимодействующих с ДНК. Данный фен о мен называется индукцией фага и используется на космических кораблях для определения дозы радиации. Под влиянием радиации увеличивается число фаговых частиц, продуцируемых клетками лизогенных бактерий. Некоторые лизогенные бактерии могут утрачивать профаг самопроизвольно без перехода его в вегетативное состояние.

Как уже отмечалось, наличие профага в составе бактериальной хромосомы не мешает репликации ДНК бактериальной клетки и самого профага. Однако гены профага, встроенные в клеточную ДНК, не транскрибируются. Это связано с образованием в бактериальной клетке репрессора – низкомолекулярного белка, блокирующего считывание генетической информации, записанной в фаговой ДНК. Синтез репрессора контролируется генами профага. При инактивации репрессора УФ-лучами профаг выходит из состава бактериальной хромосомы и превращается в вегетативный фаг, который вызывает продуктивную инфекцию, заканчивающуюся лизисом клеток хозяина.

Лизогенизация бактерий лежит в основе фаговой, или лизогенной, конверсии, наблюдаемой у бактерий. Данный феномен заключается в приобретении лизогенными бактериями определенных признаков, например, способности продуцировать токсины, изменять морфологию или антигенные свойства и др. Эти признаки контролируются генами профага и бактериальной клетки или только профага.

Лизогения Р1-типа

Многие бактериофаги, из которых лучше всего изучен фаг Р1, отличаются от фагов группы l двумя очень важными свойствами:

Во-первых, опыты по рекомбинации между лизогенными и нелизогенными клетками не выявили определенного места локализации профага Р1 и других фагов этого типа на хромосоме бактерии, т.е. сцепления с определенными генами.

Во-вторых, фаги Р1 и l различаются по способу образования трансдуцирующих частиц, т.е. таких вирионов, которые содержат фрагменты хозяйской ДНК. ДНК фага Р1, выделенная из лизогенных клеток, оказывается кольцевой молекулой того же размера, что и молекулы ДНК в вирионах Р1; ее связи с бактериальной ДНК не обнаружено. Это подтверждает внехромосомную локализацию профага Р1.

Весьма вероятно, что профаги типа Р1 прикреплены не к хромосоме, а к мембране клетки. Наличие на мембране таких мест прикрепления объясняет, по-видимому, упорядоченную репликацию и сегрегацию внехромосомных генетических элементов – плазмид. Т.о, фаг типа Р1 может реплицироваться синхронно с клеткой в виде профага, прикрепленного, по-видимому, к клеточной мембране, или может пойти по литическому пути и начать неконтролируемую вегетативную репликацию. В большинстве лизогенных клеток литическое действие предотвращается в результате действия фагового репрессора, точно так же, как это происходит в случае лизогении фагами типа l.

Умеренные фаги могут быть дефектными, т.е. неспособными к образованию зрелых фаговых частиц ни в естественных условиях, ни под влиянием индуцирующих агентов. Такого рода фаги осуществляют трансдукцию и используются в генной инженерии.

Дефектные профаги. Время от времени в профагах происходят мутации или делеции, которые делают профаг не способным к нормальному развитию. Мутация может, например, привести к тому, что утрачивается способность к вегетативной репликации или способность синтезировать какой-либо существенный для развития вирусный белок. Такие профаги называются дефектными. Их присутствие в клетке выявляется по тому, что клетка сохраняет свою иммунность к суперинфекции коиммунным фагом. Кроме того, если дефектный профаг получился из индуцибельного фага, то обработка таких клеток индуцирующими агентами может по-прежнему депрессировать оставшиеся функциональными гены профага и привести к лизису клетки под действием фагового лизоцима.

Поэтому, обрабатывая клетки индуцирующими агентами, можно выявить наличие дефектных профагов в бактериях, выделенных из природных источников. Лизис клеток укажет на то, что они содержат какой-то индуцибельный дефектный профаг.

Специфичность действия фага

Каждый бактериофаг вызывает лизис определенного вида бактерий. Кроме того, имеются фаги к определенным типам и даже штаммам бактерий.

По степени специфичности фаги могут быть разделены на три группы: полифаги – активные в отношении нескольких родственных видов бактерий; монофаги – лизирующие микробов одного вида; типовые фаги – способные лизировать только определенные типы данного вида бактерий.

Практическое применение бактериофагов

Фаги используются для типирования бактерий, а в ряде случаев для их индикации (выявления) в окружающей среде. Кроме того, они применяются для лечения и профилактики ряда инфекционных заболеваний.

В практике эпидемиологического обследования широко применяется фаготипирование бактерий – метод дифференцирования их внутри вида для определения фаготипа. Этот метод позволяет распознать подлинный источник инфекции и дает возможность проследить иногда очень сложный путь возбудителя от источника инфекции до восприимчивого организма.

Существует два способа фаготипирования бактерий. При первом бактерии подразделяют на фаготипы по свойствам выделяемых из них умеренных фагов, при втором – по чувствительности исследуемых бактерий к специфическим (типовым) фагам:

Ø Вследствие широкого распространения лизогении среди патогенных бактерий продуцируемые ими умеренные фаги служат своеобразной «меткой», по которой можно проследить за судьбой их хозяина. На основании различий в спектре литического действия умеренных фагов, присущих данному типу (варианту) бактерий одного и того же вида, стало возможным дифференцировать их друг от друга. Это позволяет распознать родственные штаммы, выяснить их происхождение и пути распространения инфекции. При помощи данного метода определяют фаготипы сальмонелл, кишечных палочек и др.

Ø

При втором способе используют наборы типоспецифических фагов, способных вызывать лизис только определенных типов (вариантов) бактериальной культуры. В связи со сравнительно широким спектром литического действия вирулентных фагов они оказались малопригодными для этой цели. Поэтому в качестве типовых фагов используют умеренные фаги, выделенные из лизогенных культур. Они отличаются узкоспецифическим спектром литического действия и позволяют дифференцировать возбудителей на большое количество фаготипов. Например, этим методом удалось выявить до 72 фаговаров брюшнотифозных бактерий и до 90 фаговаров S. typhimurium.

В 1955 г. В.Д. Тимаковым и Д.М. Гольдфарбом предложен метод определения патогенных микроорганизмов непосредственно в исследуемом материале без выделения чистой культуры. Этот метод – реакция нарастания титра фага – основан на способности индикаторного фага к репродукции в чувствительных бактериях. При внесении такого фага в исследуемый материал, содержащий искомый возбудитель, определяется нарастание титра фага. С помощью этой реакции оказалась возможной индикация возбудителей инфекционных заболеваний (дизентерия, брюшной тиф, паратифы, бруцеллез, холера, чума) в материале от людей, из объектов внешней среды, пищевых продуктов.

Возможно применение фагов с лечебной (гнойные и анаэробные инфекции, дизентерия) или диагностической целью. В последнее время фаги вновь привлекают к себе внимание ввиду все более широкого распространения антибиотикорезистентных форм патогенных и условно-патогенных бактерий.

Выпускаются отечественные препараты дизентерийного, сальмонеллезного, коли-протейного, стафилококкового и др. фагов, а также наборы фагов для фаготипирования брюшнотифозных бактерий, бруцелл, стафилококков и некоторых других видов бактерий.

Выделение фага из воды может быть использовано как показатель ее бактериального загрязнения с помощью реакции нарастания титра специфического фага. Фаг как препарат представляет собой фильтрат бульонных культур лизированных бактерий.

Бактериофаги широко применяют в генной инженерии в качестве векторов для получения рекомбинантных ДНК.

Антигенные свойства фагов

Бактериофаги содержат группоспецифические и типоспецифические антигены, обладают иммуногенными свойствами, вызывая синтез специфических антител в организме. Антитела, взаимодействуя с бактериофагами, могут нейтрализовать их литическую активность против бактерий. По типоспецифическим антигенам фаги делят на серотипы.

На агаре, к которому добавлена антифаговая сыворотка, зараженные фагом бактерии дают нормальный рост.

 

Бактериофаги (фаги)

Бактериофаги (от бактерия + греч. phagos – пожирающий) – вирусы бактерий, специфически проникающие в бактериальные клетки и поражающие их.

Бактериофаги содержат ДНК или РНК. Различают бактериофаги с длинным отростком, имеющие сокращающийся или несокращающийся чехол, а также бактериофаги с короткими отростками, с аналогами отростков, без отростков и нитевидные. Размер бактериофагов колеблется от 20 до 800 им (у нитевидных форм). Бактериофаги, имеющие форму сперматозоида, достигают длины до 200 нм и состоят из хвостового отростка, головки икосаэдрического типа, содержащей нуклеиновую кислоту.

Капсид головки и чехол хвостового отростка бактериофага состоят из полипептидных субьединиц, уложенных по икосаэдрическому (головка) или спиральному (отросток) типу симметрии. Хвостовой отросток имеет внутри трубку (стержень), сообщающуюся с головкой, а снаружи – чехол отростка, заканчивающийся шестиугольной базальной пластинкой с шипами, от которых отходят фибриллы (нити).

Вирулентные бактериофаги, попав в бактерию, реплицируются, формируя 200-300 фаговых частиц, и вызывают гибель (лизис) бактерии. Это продуктивный тип взаимодействия.

Бактериофаги с сокращающимся чехлом адсорбируются на клеточной стенке с помощью фибрилл хвостового отростка. Чехол хвостового отростка сокращается, и стержень с помощью ферментов (лизоцима) как бы просверливает оболочку клетки. Через канал трубки бактериофага нуклеиновая кислота инъецируется из головки в бактериальную клетку, а капсид бактериофага остается снаружи бактерии.

Инъецированная внутрь клетки нуклеиновая кислота подавляет биосинтез компонентов клетки, заставляя ее синтезировать нуклеиновую кислоту и белки бактериофага.

Образовавшиеся в разных частях клетки компоненты бактериофага собираются в фаговые частицы путем заполнения фаговой нуклеиновой кислотой пустотелых капсидов головки. Сформированная головка соединяется с хвостовой частью, образуя новый фаг. Затем в результате лизиса клетки бактериофаги выходят из нее.

Умеренные бактериофаги взаимодействуют с бактериями либо по продуктивному, либо по интегративному типу.

Продуктивный тип умеренного фага идет как и у вирулентных фагов и заканчивается лизисом бактерий.

При интегративном типе ДНК умеренного фага встраивается в хромосому бактерии, реплицируется синхронно с геномом бактерии, не вызывая ее лизиса (передается при делении бактерии). ДНК фага, встроенная в хромосому бактерии, называется профагом, а культура бактерий – лизогенной; сам процесс – лизогенией (от греч. lysis – разложение, geneo – происхождение).

НК умеренного фага лямбда, введенная в бактерию, вызывает либо лизис, либо лизогенизацию (проникшая в бактерию ДНК умеренного фага приобретает форму кольца и интегрирует в строго определенную область хромосомы). УФ-облучение индуцирует литический процесс. При лизогении фаги не образуются в результате «выключения» фаговых генов репрессором, кодируемым одним геном фага.

Профаги могут спонтанно или под действием индуцирующих агентов (УФ-лучи, митомицин С и др.) дерепрессироваться, исключаться из хромосомы. Этот процесс заканчивается продукцией фагов (индукция профага) и лизисом бактерий.

Профаг придает бактерии новые свойства, что получило название фаговой конверсии (лат. conversio – превращение). Конвертироваться могут морфологические, культуральные, биохимические, антигенные и другие свойства бактерий. Например, наличие профага в дифтерийной палочке обусловливает ее способность продуцировать дифтерийный экзотоксин.

Бактериофаги применяют для

профилактики,

лечения инфекций,

в генной инженерии, а также для

диагностики (например, для фаготипирования с целью выявления источника инфекции).

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: