Бактериофаг

Бактериофаги (от греч.«bakteria» - палочка и греч. «phagos» - пожиратель) - вирусы, заражающие бактерии.

Бактериофаги (или просто – фаги) были открыты независимо английским врачом Ф.Туортом в 1915 году и канадским ученым Д‘Эрелем в 1917 году. Термин «бактериофаги» – пожиратели бактерий - предложен в 1917 году Д‘Эрелем. Такое название связано с тем, что для большинства этих вирусов размножение и выход дочерних популяций вируса из бактерии сопровождается её гибелью и разрушением (лизисом). Открытие и изучение бактериофагов оказало большое влияние на развитие современной молекулярной биологии и генетики.

Бактериофаги очень разнообразны (рис.1 и 2) и не представляют собой отдельной таксономической группы. Их классификация осуществляется по тем же принципам, что и для всех вирусов – с учетом особенностей строения вириона, вида нуклеиновой кислоты, содержащей генетическую информацию, и особенностей цикла репликации.

Рис. 1. Морфологические типы бактериофагов

Рис. 2 Электронные микрофотографии бактериофагов:

а - бактериофаг Т-2,

б – бактериофаг Т-3,

в - бактериофаг φX174, г - бактериофаг MS2

Наиболее известны большие и сложно устроенные бактериофаги порядка Caudovirales, геном которых представлен линейной двуспиральной ДНК, а капсид организован по принципу сложной симметрии - это семь бактериофагов Т-серии E.coli (от англ. type – тип): Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6, Т7 и бактериофаг лямбда. Вирионы этих фагов состоят из икосаэдрической головки, в которой инкапсидирована вирусная ДНК, и прикрепленного к ней цилиндрического длинного или короткого полого отростка, способного к сокращению при взаимодействии с клеткой-хозяином (у Т-четных фагов) или несокращающегося (у Т-нечетных фагов и фага лямбда). Дистальным концом отростка фаг распознает клеточный рецептор, адсорбируется на стенке бактерии и проделывает в ней пору, через которую фаговая ДНК проникает в цитоплазму клетки-хозяина по внутреннему каналу отростка (рис.3). Капсид остается снаружи. На конце отростка у многих из этих фагов имеется базальная пластинка с несколькими выступами. От пластинки отходят тонкие длинные нити, которые способствуют прикреплению фага к бактерии. После попадания вирусной ДНК в клетку начинается ее транскрипция, синтез фаговых белков, а затем и ДНК фага. Часть этих белков — ферменты, другая часть - белки капсида зрелого вириона. Из структурных белков и вновь синтезированной ДНК собираются новые вирусные частицы.

Рис. 3. Заражение бактериальной клетки бактериофагом с сокращающимся хвостовым отростком.

Бактериофаги не всегда лизируют клетку. Например, бактериофаг лямбда (рис. 4 и 5) относится к так называемым умеренным фагам.

После заражения бактериальной клетки умеренным фагом лямбда процесс инфекции может развиваться по одному из двух направлений: по пути литического цикла, который так же, как и при заражении бактерий вирулентными фагами, заканчивается разрушением клеток и выходом потомства фага в окружающую среду, или по пути лизогенизации, когда фаговая ДНК встраивается в ДНК бактерии и в дальнейшем реплицируется вместе с ней как её составная часть – профаг. Бактерия при этом выживает и становится лизогенной (несет в себе угрозу собственной гибели - лизиса). При определенных условиях профаг выщепляется из хозяйской ДНК и начинает литический цикл инфекции (рис. 6). При выщеплении профаг может захватывать соседние участки ДНК - гены бактерии и, инфицируя другую клетку, переносить приобретённые гены в новый геном. Такой горизонтальный перенос генов называется трансдукцией и приводит к генетической рекомбинации. ДНК фага лямбда широко используется в качестве вектора в генной инженерии.

Рис. 6. Два варианта развития инфекции умеренным бактериофагом лямбда.

Другая группа фагов имеет геном, представленный однонитчатой циркулярной ковалентно замкнутой ДНК. Это мелкие вирусы с икосаэдрическим капсидом (фаг φХ-174, сем Microviridae) или нитевидные (фаги f1, М13, сем. Inoviridae) (рис. 7 и 8). На 12 вершинах икосаэдрического капсида фага φХ-174 расположено по одному шипу, и заражение клетки происходит после того, как один из этих шипов вступит во взаимодействие с липополисахаридом клеточной стенки бактерии. Нитевидные фаги заражают только бактерии с половыми пилями (F-пилями), и заражение происходит именно через половой пиль. Фаг φХ-174 лизирует клетку. Нитевидные фаги лизиса не вызывают, вновь образованные вирионы выходят через клеточную стенку с помощью специально механизма (это явление используется в генной инженерии). Репликация ДНК у этих бактериофагов происходит сходным образом. На матрице однонитчатой ДНК синтезируется комплементарная ей нить, и эта двуспиральная кольцевая ДНК служит матрицей для транскрипции и последующего синтеза вирусных белков. Образование дочерних вирусных одноцепочечных ДНК происходит по принципу «катящегося кольца» (rolling circle). Упаковка ДНК в новые вирионы осуществляется с использованием вспомогательных белков, не входящих в его состав.

Примером РНК-содержащих бактериофагов являются маленькие и просто устроенные бактериофаги семейства Leviviridae (MS2, Qβ), которые также заражают только клетки с F-пилями (рис. 9). Вирион этих фагов имеет форму икосаэдра. Капсид состоит из 180 молекул белка оболочки и одной молекулы белка А – белка созревания. А-белок служит рецептором, узнающим клеточную поверхность. Заражение происходит при прикреплении вириона к половому пилю. РНК входит в клетку вместе с А-белком. Эта РНК – однонитчатая, небольшая, кодирует 3-4 белка и сразу может быть использована рибосомами для трансляции (так называемая плюс-РНК). Среди вновь синтезированных вирусных белков – РНК-зависимая РНК-полимераза, которая синтезирует на матрице плюс-РНК комплементарную ей минус-РНК, а затем на матрице минус-РНК – новые цепи плюс-РНК. Из РНК, структурного белка и А-белка собираются новые вирионы. Фаги MS2 и Qβ лизируют клетку. Значительная часть представлений, имеющихся в настоящее время о процессах трансляции информационных РНК, о механизме регуляции белкового синтеза на уровне трансляции и о репликации РНК была получена при изучении именно этих бактериофагов.

Рис. 9. Модель вириона фага MS2

Существуют и другие разнообразные бактериофаги. Например, фаг φ6, заражающий псевдомонады, содержит двуспиральную РНК и покрыт липидной оболочкой, а у фага N15 геном представляет собой линейную ДНК c ковалентно замкнутыми концами.

Бактериофаги широко распространены в природе — их выделяют из воды, почвы, организмов различных животных и человека. Везде, где имеются бактерии, удается обнаружить и паразитирующие в них бактериофаги. Бактериофаги обнаружены в кишечнике человека и животных, в растениях, почве, водоёмах, сточных водах, навозе и т. д. Бактериофаги почвенных микроорганизмов влияют на течение микробиологических процессов в почве, бактериофаги океана оказывают существенное влияние на многочисленные биогеохимические процессы и регулируют численность и видовое разнообразие бактерий и фитопланктона.

Бактериофаги используются для лечения инфекционных заболеваний бактериальной природы. Достоинство фаговых препаратов заключается в специфичности действия: они вызывают гибель определенного вида бактерий, но, в отличие от антибиотиков, не подавляют нормальную микрофлору больных. В связи проблемой возникновения резистентности микроорганизмов к антибиотикам интерес к фаговой терапии в последнее время возрос.

Бактериофаги могут вредить микробиологическое производству, использующему бактерии-продуценты. Лизис бактерий в промышленных аппаратах - ферментерах, вызванный бактериофагами, уменьшает выход конечного продукта или ухудшает его качество и тем самым приносит экономический ущерб.