Бактерии и вирусы (бактериофаги)

Видео: Вирусы против бактерий: бактериофаги

Бактериофаги выявлены у представителей почти всех таксо номических групп микробов. Они отличаются высокой специфич ностью, что используется в микробиологической диагностике (фа, готипирование), а некоторые фаги применяют для лечения и про филактики соответствующих инфекций.

Подавляющее большинство фагов имеет гексагональные голов ки, содержащие только один тип нуклеиновой кислоты. У некото рых фагов от головки отходит более или менее длинный отросток («хвост»), который служит для адсорбции фага и вспрыскивания в клетку бактерий нуклеиновой кислоты (рис. 3, 5, 12). Имеются так же длинные нитевидные фаги (рис. 5). На основании морфологи ческих признаков и типа нуклеиновой кислоты Д. Бредли (D. Bradley, 1967) разделил все фаги на шесть групп (табл. 5)7.

Таблица 5

: - " : !

2 3 4 ( )50

Видео: Неклеточные формы жизни. Вирусы и бактериофаги

Столь своеобразное строение фагов, отличающее их от других вирусов, объясняется наличием у бактерий ригидной клеточной стен ки, что исключает возможность проникновения фагов в бактериаль ные клетки путем пиноцитоза или виропексиса. Последнее обстоя тельство заставило фаги приспособиться к другим путям инфициро вания их хозяев, и именно это нашло отражение в их структурах.





7 Сейчас все фаги относят к особому порядку царства вирусов с семнадцатью семей ствами и тремя неклассифицированными или «плавающими» группами (см. H.W. Ackermann // Arch. Virol. – 2007. – Vol. 152. – P. 227–243).

В случае фагов групп A, B и С с момента встречи с бактериаль ной клеткой и до высвобождения потомства фага развертываются следующие события:

адсорбция фага на соответствующих рецепторах клетки-

впрыскивание генома фага в клетку-

внутриклеточное размножение фага, в ходе которого никаких внешних проявлений фаговой инфекции нет (латентный период)-

лизис клетки.

Сразу же после заражения вирулентным фагом в клетке начи нается репликация его ДНК и происходит синтез фаговых белков – процессы, которые осуществляются ферментами хозяина. Затем происходит формирование частиц вируса и под контролем генома фага образуется лизоцим, необходимый для лизиса клетки. Этим заканчивается латентный период – высвобождаются зрелые части цы фага, способные инфицировать новые бактерии. Таким обра зом, вирулентные фаги подобны настоящим хищникам.

Иначе складывается ситуация в случае умеренных фагов, кото рая больше напоминает картину симбиоза паразитического или да же мутуалистического типа. При проникновении в клетку геномы таких фагов – профаги обычно встраиваются в хромосому хозяина и реплицируются в ее составе. Бактерии при этом выживают и нор мально делятся. В большинстве зараженных клеток структурные ви русные белки не образуются, так как геномы фагов зарепрессирова ны. Однако в отдельных случаях профаги могут дерепрессироваться, что приводит к началу литического цикла (как в случае вирулентных фагов) и высвобождению зрелых вирионов (индукция профага).

Описанное взаимодействие вируса с клеткой хозяина называ ется лизогенией, а зараженные клетки, обладающие способностью продуцировать зрелые частицы фага, называются лизогенными. Важно отметить, что лизогенизированные клетки не чувствитель ны, т.е. иммунны к гомологичному фагу8.

Отметим так называемые «половые» фаги, которые распозна ют штаммы грамнегативных бактерий, несущих конъюгативные плазмиды. Подобные фаги распространены, главным образом, среди энтеробактерий, но встречаются также у других бактерий, в частности у псевдомонад. Однако дальше речь пойдет в основном о кишечных фагах, которые относятся к двум группам по Бредли – F (фаги fd, f1, M13, If1 и др.) и E (фаги f2, MS2, Q? и др.).



8 От истинной лизогении надо отличать псевдолизогению, т.е. носительство фага популяциями бактерий, состоящими из чувствительных и резистентных к бакте риофагу клеток.

Мы предполагаем,что половые фаги являются ровесниками конъюгативных плазмид, «научившимися» в процессе эволюции использовать половые пили в качестве ворот на пути в клетки.

Рецепторы половых фагов находятся на пилях, причем рецеп

торы нитевидных фагов располагаются на верхушках пилей, а

«РНКовых» – на их боковых поверхностях.

Между двумя группами половых фагов есть еще одно отличие: РНКовые фаги вызывают лизис клеток, в то время как нитевидные фаги клетки не лизируют, а высвобождаются через щели в клеточ ной стенке и поэтому на газоне чувствительной культуры никогда не дают прозрачных пятен- сами клетки теряют цитоплазму и превращаются в «тени», содержащие различное число мезосом.

Важной особенностью многих фагов является способность пе реносить бактериальные гены – трансдукция. Различают специфи, ческую и общую трансдукцию.

Специфическая трансдукция характерна для умеренных фагов. Это связано с тем, что их профаги существуют в составе хромосомы бактерий и при индукции, т.е. при превращении профага в зрелый фаг, могут захватывать бактериальные гены, располагающиеся с од ной или другой стороны от места включения профагов в хромосому («незаконная рекомбинация»). При этом профаг теряет часть своей ДНК и из него образуются дефектные фаги, которые сами по себе к вегетативному размножению не способны. Однако последнее ста новится возможным в присутствии фага помощника, т.е. нормаль ных фаговых частиц, и именно тогда в популяции бактерий появля ются клетки с необычным фенотипом – трансдуктанты. Механизм их возникновения заключается во встройке генома дефектного фа га в хромосому нового хозяина и экспрессии генов, захваченных при индукции профага у прежнего хозяина.

Разные умеренные фаги, вернее, их профаги встраиваются в разные участки бактериальной хромосомы и поэтому при транс дукции вызывают образование трансдуктантов с неодинаковыми фенотипами.

При специфической трансдукции в частице трансдуцирующе го фага фрагменты бактериальной хромосомы всегда ковалентно связаны с фаговой ДНК и размер их очень небольшой. В отличие от этого при общей (иногда ее называют также неспецифической) трансдукции частицы трансдуцирующего фага представляют со бой в основном кусок бактериальной ДНК, упакованный в фаго вую оболочку. Это происходит в процессе сборки капсида фага, когда уже начинается дезинтеграция клетки хозяина и формиру

ются зрелые частицы фага. Но в лизатах клеток число подобных частиц невелико. Тем не менее когда ДНК такой необычной час тицы при содействии фага помощника, т.е. нормального фага, попадает в клетку реципиента и она не лизируется, то между фраг ментом чужой ДНК и гомологичным участком хромосомы реци пиента может происходить рекомбинация. Результатом ее и ока зываются те редкие рекомбинанты, которые приобретают новые свойства (трансдуктанты)9. Опять таки, в отличие от специфической трансдукции, при общей трансдукции одним и тем же «фаголиза том» могут переноситься любые гены клетки донора, в чем легко убе диться путем использования надлежащих методов селекции транс дуктантов (отсюда и название – «неспецифическая» трансдукция). Однако, поскольку геномы фагов намного меньше геномов бакте рий, то естественно, что фаги могут переносить лишь фрагменты бактериальной ДНК, не превышающие 2–2,5 % от ее длины. Поэто му трансдуцируются только близко расположенные гены, что ис пользуется для тонкого картирования бактериальных генов (при кар тировании с помощью конъюгации это практически невозможно).

Отсутствие фаговой ДНК в трансдуцирующих частицах объяс няет, почему соответствующие трансдуктанты нелизогенны и не обладают иммунитетом против заражения гомологичным фагом (еще одно важное отличие от «специфических» трансдуктантов).

Трансдуцирующие фаги широко распространены среди раз личных видов бактерий. Способность к трансдукции, правда лишь плазмид, установлена даже у нитевидных мужских фагов M13 и fd, а также у фага PRD110. В этой связи возникает вопрос, а не является ли распространение плазмид одной из функций ДНК содержащих мужских фагов? С другой стороны, имеются указания, что из за особенностей прикрепления к половым пи лям РНКовые фаги препятствуют конъюгации. Подчеркнем, что ни один из РНКовых фагов клетки не лизогенизирует и к транс дукции не способен11.

Из изложенного следует, что новые свойства, появляющиеся у бактерий при трансдукции, обязаны генам бактерий, которые привносятся фагами. Однако известно немало случаев, когда не которые свойства бактерий определяются только фаговыми гена ми. Эти свойства проявляются лишь в лизогенных или заражен



9 В отдельных случаях рекомбинация не происходит. Поскольку при этом привне сенный фрагмент чужой ДНК не реплицируется, то при делении клеток он быстро элиминируется (абортивная трансдукция).

10 У полового фага псевдомонад (собственные данные).

11 В отличие от ряда вирусов животных РНК содержащие фаги ревертазу не образуют.

ных фагами штаммах и никогда не регистрируются в штаммах, свободных от фагов. Приобретение новых свойств бактериями исключительно в результате фаговой инфекции называется фаго, вой конверсией, типичным примером которой служит токсиген ность возбудителя дифтерии. Этот микроб образует токсин только тогда, когда он заражен фагом, несущим tox ген. Таким образом, конверсия принципиально отличается от специфической транс дукции, поскольку в последнем случае фаг переносит гены, кото рые в норме обнаруживаются в хромосоме клетки донора. Кроме того, есть еще два отличия. Во первых, частицы фага, вызываю щего конверсию, совершенно нормальны и способны осущес твлять все фаговые функции, в то время как специфически транс дуцирующие фаги обычно дефектны, так как теряют часть генома в момент индукции их профагов. Во вторых, способностью к кон версии обладают все частицы популяции соответствующего фага и конвертанты возникают с большой частотой, а в случае транс дукции новые свойства реципиентным клеткам могут сообщать лишь единичные частицы фага и появление трансдуктантов – от носительно редкое явление.

Вопрос о происхождении конвертирующих фагов остается открытым, хотя есть предположение, что в процессе эволюции хромосомы бактерий и фагов имели общих предшественников.

Заканчивая этот раздел, подчеркнём, что до последнего време ни роль фагов в эволюции бактерий явно недооценивали. Теперь же можно смело утверждать, что в горизонтальном переносе генов они имеют не меньшее, а возможно, и большее значение, нежели конъюгация и трансформация. Осознанию этого факта способст вовали, в частности, многочисленные данные о способности фагов длительное время сохраняться в окружающей среде (в почве, воде) без потери инфекционности. Впрочем, то же относится к другим вирусам, что служит основанием для возрождения гипотезы о древнем происхождении вирусов и их роли в эволюции клетки (см. главу 9).<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!