Wstępna charakterystyka bakteriofaga Serratia φOS10/Wstęp/Cykl lizogenny, stan pseudolizogenii, infekcja chroniczna

Z Wikibooks, biblioteki wolnych podręczników.

Opisany w Podrozdziale 1.4 przebieg cyklu infekcyjnego jest uniwersalny dla wszystkich bakteriofagów – taka forma cyklu infekcyjnego zwie się „cyklem litycznym”, bo jej efektem końcowym jest liza komórki gospodarza. Jednakże w przypadku bardzo wielu bakteriofagów wytworzenie cząstek potomnych może być znacząco odsunięte w czasie w stosunku do momentu zainfekowania gospodarza. W tym okresie ich genomy pozostają w zakażonych komórkach jako formy latentne. W stanie utajenia ekspresja informacji genetycznej faga jest ograniczona tylko do genów, których produkty są odpowiedzialne za utrzymanie tego stanu (lizogenii) [Fortier & Sekulovic, 2013]. Genom faga w stanie latentnym może być wbudowany w bakteryjny chromosom albo pozostawać w cytoplazmie w formie episomu zdolnego do autonomicznej replikacji – zwanego profagiem plazmidopodobnym (ang. plasmid-like prophage) [Shen i in., 2018]. Analogicznie do plazmidów profagi plazmidopodobne mogą przyjmować formę kolistą (np. fag P1 [Cenens i in., 2013]) bądź liniową (np. fag xhp1 [Shen i in., 2018]). W cyklu lizogennym nie powstają cząstki potomne, ani nie dochodzi do lizy komórki. Bakteriofagi, zdolne do wejścia w cykl lizogenny nazywa się fagami lizogennymi lub fagami łagodnymi; zaś bakteriofagi niezdolne do tego nazywa się fagami wirulentnymi lub fagami zjadliwymi [Marsh & Wellington, 1994]. Cykl lityczny oraz cykl lizogenny zilustrowano na Rycinie 9. U fagów łagodnych decyzja molekularna pomiędzy wejściem w cykl lityczny lub lizogenny zależy od kondycji metabolicznej komórki oraz stosunku ilościowego cząstek fagowych do komórek gospodarza (MOI, ang. Multiplicity of Infection) – im więcej jest cząstek fagowych względem komórek gospodarza, tym większy odsetek infekujących cząstek fagowych wejdzie w stan lizogenii [Janion, 2008; Wei i in., 2001; Weinbauer, 2004].

Kolejnym etapem po penetracji wirusowego DNA jest zamknięcie go w kolistą cząsteczkę poprzez ligację albo rekombinację końców genomu. Układ genów w genomie fagowym (w kapsydzie) i w profagu (wintegrowanym do chromosomu bakteryjnego) jest różny. Zazwyczaj pierwszym genem lewego ramienia profaga jest gen integrazy (skr. int). W przypadku liniowych genomów fagów znajdujących się w kapsydach, które terminaza przecięła w miejscach cos, pierwszym genem lewego ramienia jest gen kodujący małą podjednostkę terminazy (skr. ter). Wyżej opisane warianty zilustrowano na Rycinie 10.

Rycina 10. Integracja genomu fagowego do chromosomu gospodarza: Liniowy genom wirusa (1) po znalezieniu się w cytoplazmie ulega cyrkularyzacji (2). Pomiędzy miejscem attP (ang. attachment of Phage) w kolistym genomie faga (3A), a miejscem attB (ang. attachment of Bacterium) w chromosomie gospodarza (3B) dochodzi do rekombinacji homologicznej (4). W efekcie kolisty genom faga staje się wstawką wbudowaną w chromosom gospodarza (5), zaś na granicy obu genomów powstają sekwencje attL (ang. attachment Left) i attR (ang. attachment Right), będące produktami rekombinacji miejsc attB i attP [na podstawie: Raya i in., 1992].

Jak wspomniano wcześniej – bakteriofaga łagodnego, który wszedł w stan lizogenii nazywa się profagiem, zaś szczep bakteryjny z wbudowanym do genomu fagiem nazywa się lizogenem. Cechą charakterystyczną szczepów lizogennych jest ich oporność na infekcję tym samym lub pokrewnym bakteriofagiem (tzw. zjawisko oporności na superinfekcję), co wynika w zależności od bakteriofaga: albo z obecności eksprymowanego białka represora kodowanego przez profaga (białko to powoduje blokadę ekspresji genów litycznych bakteriofaga-intruza [Susskind i in., 1974; Sun i in., 2006]); albo z syntezy białek kodowanych przez geny profaga, których funkcją jest blokowanie translokacji genomu bakteriofaga-intruza do cytoplazmy [Lu & Henning, 1994].

Wszystkie bakteriofagi; niezależnie czy zjadliwe, czy łagodne; mogą wejść w stan pseudolizogenii [Łoś & Węgrzyn, 2012]. Stan ten polega na zahamowaniu cyklu infekcyjnego wirusa. Jego materiał genetyczny pozostaje w cytoplazmie w formie episomalnej (liniowej lub kolistej), ale nie dochodzi do jego replikacji. W stanie pseudolizogenii żaden z genów bakteriofaga nie ulega ekspresji. Genom bakteriofaga w stanie pseudolizogenii jest przekazywany do komórek potomnych gospodarza losowo, a zatem pewne komórki potomne mogą otrzymać cytoplazmę pozbawioną wirusowego kwasu nukleinowego [Fortier & Sekulovic, 2013]. Stan pseudolizogenii jest odwracalny i stanowi przystosowanie bakteriofaga do skrajnie słabej kondycji metabolicznej zainfekowanej komórki. Gdy stan fizjologiczny gospodarza ulegnie poprawie pseudolizogenia ustaje, a cykl infekcyjny bakteriofaga zostaje wznowiony [Łoś & Węgrzyn, 2012].

Niektóre fagi wirulentne i łagodne mogą powodować infekcję chroniczną, w której w zainfekowanych komórkach wirusowe cząstki potomne są stale wytwarzane i opuszczają ją nie powodując lizy. Mechanizm ten charakterystyczny jest dla fagów nitkowatych (rodzina Inoviridae), których przedstawicielem jest bakteriofag M13 [Weinbauer, 2004].

Prawie połowa bakterii, których genomy zsekwencjonowano to lizogeny (46%) [Touchon i in., 2016], stanowiące w niektórych niszach nawet 100% populacji bakterii [Bobay i in., 2014; Fortier & Sekulovic, 2013; Labonté i in., 2019]. Profagi mogą występować zarówno w formie funkcjonalnej, jak i w formie defektywnej, zawierającej tak dużo mutacji, że nie jest możliwe dokończenie lub wręcz rozpoczęcie przez nie cyklu infekcyjnego [Bobay i in., 2014]. Mutacje te mogą dotyczyć np. genów odpowiedzialnych za wycięcie profaga z chromosomu bakteryjnego, tworzenie wirionów lub lizę komórki. Nieodłącznym zjawiskiem związanym z profagami jest konwersja lizogenna. Zjawisko to polega na zmianie właściwości fenotypowych bakterii, w których infekujący je bakteriofag łagodny wszedł w cykl lizogenny. Najważniejsze cechy nabywane drogą konwersji lizogennej wymieniono w Tabeli 3 [Brüssow i in., 2004; Cumby i in., 2012;Fortier & Sekulovic, 2013; Sebaihia i in., 2006; Schuch & Fischetti, 2009; Wang i in., 2010; Sullivan i in., 2006].

Tabela 3. Cechy nabywane na drodze konwersji lizogennej.
Mikroorganizmy niepatogenne Mikroorganizmy patogenne
  • wzrost przy niedoborze składników odżywczych
  • zdolność do zmiany profilu troficznego (przyswajanie nietypowych substratów pokarmowych)
  • tolerancja na duże zasolenie
  • usprawniony proces sporulacji
  • zwiększenie wydajności procesu fotosyntezy
  • kodowanie toksyn wydzielanych do ustroju gospodarza
  • synteza dysmutazy ponadtlenkowej (ochrona przed wolnymi rodnikami produkowanymi przez układ odpornościowy)
  • produkcja fosfolipazy
  • białka efektorowe uczestniczące w inwazji komórek gospodarza
  • formowanie biofilmów
  • tolerancja na antybiotyki
  • oporność na infekcję tym samym lub pokrewnym bakteriofagiem (na różnych etapach infekcji)
  • utrata funkcjonalności niektórych genów (na drodze dysrupcji po wintegrowaniu fagowego DNA)

Cechy wymienione w Tabeli 3, choć w istotny sposób przyczyniają się do większego przystosowania środowiskowego u bakterii nie mają istotnego znaczenia dla funkcjonowania samego bakteriofaga. Cechy warunkowane przez elementy genetyczne niemające udziału w cyklu infekcyjnym zawarte w genomach bakteriofagowych – nazywa się „moronami” (ang. more on). U niektórych profagów ich ekspresja jest niezależna od ekspresji pozostałych białek wirusowych [Juhala i in., 2000] i wówczas może zachodzić nawet przy wyciszeniu innych genów profaga ze względu na obecność własnych promotorów oraz terminatorów transkrypcji [Cymby i in., 2012; Fortier & Sekulovic, 2013]. Morony obecne w genomie fagowym mogą być przekazywane między bakteriami na drodze horyzontalnego transferu infekcyjnego [Bobay i in., 2014]. Mutacje te mogą dotyczyć np. genów odpowiedzialnych za wycięcie profaga z chromosomu bakteryjnego, tworzenie wirionów lub lizę komórki. Nieodłącznym zjawiskiem związanym z profagami jest konwersja lizogenna. Zjawisko to polega na zmianie właściwości fenotypowych bakterii, w których infekujący je bakteriofag łagodny wszedł w cykl lizogenny. Najważniejsze cechy nabywane drogą konwersji lizogennej wymieniono w Tabeli 3 [Brüssow i in., 2004; Cumby i in., 2012;Fortier & Sekulovic, 2013; Sebaihia i in., 2006; Schuch & Fischetti, 2009; Wang i in., 2010; Sullivan i in., 2006].

Tabela 3. Cechy nabywane na drodze konwersji lizogennej.
Mikroorganizmy niepatogenne Mikroorganizmy patogenne
  • wzrost przy niedoborze składników odżywczych
  • zdolność do zmiany profilu troficznego (przyswajanie nietypowych substratów pokarmowych)
  • tolerancja na duże zasolenie
  • usprawniony proces sporulacji
  • zwiększenie wydajności procesu fotosyntezy
  • kodowanie toksyn wydzielanych do ustroju gospodarza
  • synteza dysmutazy ponadtlenkowej (ochrona przed wolnymi rodnikami produkowanymi przez układ odpornościowy)
  • produkcja fosfolipazy
  • białka efektorowe uczestniczące w inwazji komórek gospodarza
  • formowanie biofilmów
  • tolerancja na antybiotyki
  • oporność na infekcję tym samym lub pokrewnym bakteriofagiem (na różnych etapach infekcji)
  • utrata funkcjonalności niektórych genów (na drodze dysrupcji po wintegrowaniu fagowego DNA)

Cechy wymienione w Tabeli 3, choć w istotny sposób przyczyniają się do większego przystosowania środowiskowego u bakterii nie mają istotnego znaczenia dla funkcjonowania samego bakteriofaga. Cechy warunkowane przez elementy genetyczne niemające udziału w cyklu infekcyjnym zawarte w genomach bakteriofagowych – nazywa się „moronami” (ang. more on). U niektórych profagów ich ekspresja jest niezależna od ekspresji pozostałych białek wirusowych [Juhala i in., 2000] i wówczas może zachodzić nawet przy wyciszeniu innych genów profaga ze względu na obecność własnych promotorów oraz terminatorów transkrypcji [Cymby i in., 2012; Fortier & Sekulovic, 2013]. Morony obecne w genomie fagowym mogą być przekazywane między bakteriami na drodze horyzontalnego transferu genów (transdukcja) lub wertykalnego transferu genów (replikacja chromosomu bakterii zawierającego profaga [Bobay i in., 2014]). Przekazywanie moronów może mieć miejsce również pomiędzy bakteriofagami na drodze rekombinacji homologicznej. Dowodem na to są wyniki analiz bioinformatycznych sekwencji moronowych identyfikowanych w genomach fagowych, które często wykazują inną zawartość par GC, co nie tylko świadczy o horyzontalnym transferze, ale sugeruje iż nie są to wydarzenia odległe ewolucyjnie [Hendrix, 2002].



Tekst udostępniony jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Na tych samych warunkach 3.0.
Dodatkowe informacje o autorach i źródle znajdują się na stronie dyskusji.