Основные свойства и особенности нитчатых фагов
жүктеу/скачать 165.57 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Структура фаговых вирионов
- Рисунок 1.
- Геномная организация нитчатых фагов
- Интеграция нитчатых фагов в хромосому бактерии (лизогения)
- Vibrio cholerae
- attP AgTgCGt ATtA’TGT dif AcTt CGcATaA’TGT
- Лизогенная конверсия и ее роль в развитии патогенности
| Основные свойства и особенности нитчатых фагов (краткий обзор)
М.А. Петрова (ИМГ РАН) Введение Впервые нитчатые фаги (род Inovirus, сем. Inoviridae) были обнаружены в 60-х годах прошлого века у кишечной палочки (Escherichia coli). Оказалось, что, в отличие от остальных бактериофагов, они не блокируют жизненные процессы клетки бактерий-хозяев и не лизируют их, а сосуществуют с клетками бактерий и выходят из клетки наружу, не убивая ее, на всех стадиях роста культур в жидкой среде. Характерной особенностью этих фагов также являются их небольшие размеры и просто устроенный геном. Также их отличительной чертой является форма вириона, напоминающая тонкую нить, за что нитчатые фаги и получили свое название. В последующие годы родственные фаги были обнаружены и исследованы у многих других видов грамотрицательных бактерий. Особенно интенсивно исследовали нитчатые фаги патогенных бактерий, таких как Vibrio cholerae, и Pseudomonas aeruginosa (патогены человека), а также Xanthomonas spp, (патогены растений). В ходе этих исследований, продемонстрировавших активное участие нитчатых фагов в процессах патогенеза, обнаружили два важных явления: способность указанных фагов интегрировать в хромосому бактериальной клетки (лизогения) и придавать новые фенотипические свойства хозяйской клетке (лизогенная конверсия). В настоящее время исследования продолжаются, вовлекая в свой круг все большее число разнообразных бактерий. В частности в последние годы нитчатые фаги обнаружены у Neisseria meningitides, Yersinia pestis biovar orientalis, Hylella fastidiosa, Stenotrophomonas maltophilia и Ralstonia solanacearum. Структура фаговых вирионов Большинство сведений, касающихся структуры вирионов нитчатых фагов были получены при изучении фагов Ff кишечной палочки (E. coli) и Pf1 синегонойной палочки (Pseudomonas aeruginosa). Вирион состоит из однонитевой ДНК фага, одетой в белковый чехол (капсид), напоминающий очень тонкую длинную трубочку (рис.1). В состав капсида входят пять различных белков, кодируемых фагом. Сама трубочка образована молекулами одного мажорного (основного) белка (рVIII), а ее концы закрыты двумя различными парами других белков: pVII-pIX с конца, который первым выходит из бактериальной 
Рисунок 1. Строение капсида нитчатых фагов. а. Расположение молекул белка pVIII, формирующих капсид нитчатого фага. б. Схема структуры вириона. Оранжевые овалы – C домены, зеленые овалы – N1 домены, синие – N2 домены белка pIII. в. Фотография Ff вириона (атомно-силовая микроскопия). Приведён фрагмент рисунка 1 из статьи J. Raconjac et al., 2011, Curr. Issues Mol. Biol. 13: 51-76. клетки, и pIII-pVI – с другого (рис 1б). Длина фаговой частицы (0.8-2 μm) зависит от длины и конформации содержащейся в ней вирусной ДНК. Характеристика белков вириона на примере фага Ff E. coli Все белки, образующие капсид, после их синтеза и до момента сборки вириона интегрируют в мембрану клетки. Мажорный белок рVIII состоит из 73 аминокислотных остатков (а.о.), из которых 23 формируют лидерную последовательность, отщепляющуюся при прохождении через внутреннюю мембрану бактериальной клетки. Зрелый белок рVIII (50а.о.) встраивается в эту мембрану и остается в ней до начала интеграции в капсид вириона. Тысячи молекул белка рVIII, упакованных по спирали наподобие чешуек змеиной кожи, контактируют друг с другом благодаря гидрофобным взаимодействиям. У исследованных фагов структура белка рVIII и образованного им капсида консервативны, хотя известны два типа упаковки, различающиеся симметрией при укладке молекул белка в спираль. Эти два типа различаются конформацией упакованной в капсид ДНК. Минорные белки капсида pVII и pIX встраиваются в вирион на ранней стадии образования капсида и первыми покидают клетку при высвобождении фаговой частицы. Оба являются мелкими (pVII состоит из 33 а.о., а pIX – из 32 а.о.) гидрофобными белками и до сборки вириона интегрируют во внутреннюю мембрану клетки. В отличие от белка рVIII, их молекулярная структура и точное положение и упаковка в составе зрелой частицы фага неизвестны. Минорные белки капсида pIII и pVI встраиваются в вирион в самом конце сборки. Они образуют концевую «крышечку», закрывающую отверстие чехла, и одновременно высвобождают зрелую фаговую частицу наружу из клетки. Показано, что «крышечку» образуют пять молекул одного и пять молекул другого белка. Однако детальная ее структура неизвестна. Оба этих белка необходимы для структурной стабильности вириона, а также для завершения процесса сборки. Кроме того, белок pIII играет ключевую роль в инфекционном процессе, участвуя в связывании фага с бактериальной клеткой и его проникновении в хозяйскую клетку. pVI является гидрофобным белком, состоящим из 112 а.о. Он содержит 3 a петли располагающиеся в мембране, при этом N-конец белка находится в периплазме, а С-конец – в цитоплазме. Белок pIII является самым крупным белком вириона и состоит из 424 а.о., образующих три домена (N1, N2 и C), отделенные один от другого длинными линкерными последовательностями, богатыми глицином. До встраивания в вирион С-концевой домен белка заякорен на внутренней мембране, тогда как остальная, большая, его часть располагается в периплазме. Сборка зрелых частиц происходит на клеточной стенке бактериальной клетки. Для правильной сборки пяти белков капсида и фаговой ДНК в вирион необходимы белки pI, pXI и pIV, образующие на клеточной мембране экспортный комплекс фага, а также белок pV (см. далее). Геномная организация нитчатых фагов Характерной особенностью подавляющего числа нитчатых фагов является модульная организация их генома: объединение генов, отвечающих за родственные функции, в один модуль и сходное расположение модулей различных фагов на линейной генетической карте. В качестве примера такой организации рассмотрим геном вышеупомянутого нитчатого фага кишечной палочки, Ff. В состав генома Ff входят три модуля: модуль репликации, структурный модуль и модуль сборки (рис. 2а). Модуль репликации включает два гена: ген репликации (gII) и ген, кодирующий белок, связывающийся с однонитевой ДНК фага (gV). Первый ген кодирует белок, осуществляющий репликацию фагового генома по механизму катящегося кольца; белок, кодируемый вторым, необходим для защиты однонитевой ДНК фага на этапе ее проникновения во внутренюю мембрану бактерии (см. далее). Структурный модуль включает гены, кодирующие белки, формирующие белковый чехол фага: это многокопийный белок (pVIII) и четыре малокопийных белка (pVII, pIX, pIII, pVI), описанные выше. Модуль сборки у различных фагов может включать либо один, либо два гена. У фага Ff это два гена, один из которых (gIV), по-видимому, участвует в формировании специфического канала во внешней мембране. В случае фага VGJphi холерного вибриона и ряда других фагов ген gIV отсутствует и в процессе сборки участвует один ген, сходный с так называемым геном zot, кодирующим белок, необходимый для процесса морфогенеза фага: сборки фаговых частиц и их выделения из клетки.
Ряд других нитчатых фагов, например фаги холерного вибриона, ксантомонад и стенотрофомонад содержат в своем геноме еще один, регуляторный модуль, обычно включающий два гена, кодирующих регуляторные белки, функции которых изучены еще недостаточно. У фага VGJphi холерного вибриона – это белки ORF136 и ORF154, кодируемые генами, которые транскрибируются в направлении противоположном таковому всех остальных генов фага (рис. 1б). Наличие генов регуляторного модуля определяет новые, очень важные функциональные свойства фагов, в частности способность фагового генома встраиваться в хромосому бактерии с помощью процесса сайт-специфической рекомбинации и соответственно влиять на характер жизненного цикла фага. Регуляторным генам приписывают роль регуляторов транскрипции, контролирующим процессы репликации генома профага (см. далее).
В первом случае фаговая ДНК существует в клетке в виде отдельной кольцевой молекулы, реплицирующейся, подобно плазмидам, независимо от хромосомы, белками хозяйской клетки. Обычно в клетке образуется множество копий фаговой ДНК, которые распределяются между дочерними клетками. Во втором случае фаговая ДНК встраивается в хромосому, образуя профаг, который реплицируется вместе с ней и передается при делении клетки как часть генома бактерии. Бактерии, которые содержат профаг, называются лизогенными. Под воздействием повреждающих факторов, например УФ-облучения, высоких температур, обработки некоторыми химическими соединениями, происходит исключение фаговой ДНК из хромосомы и активное образование фаговых частиц. Этот процесс называется индукцией фага. В лабораторных условиях для индукции фага чаще всего применяются митомицин С или налидиксовая кислота. Нитчатые фаги Ff и Pf1, существующие в репликативной (эписомной) форме, продуцируют огромное количество фаговых частиц, достигающее 1013 на мл бактериальной культуры. Нитчатые фаги, интегрирующие в хромосому, например фаги V. сholerae, напротив, в ряде случаев потомства практически не образуют. Показано, что у них выделяется всего одна фаговая частица на 10-100 клеток. Однако, по-видимому, это не является общим свойством лизогенных нитчатых фагов, т.к. у ксантомонад известны фаги, которые в форме профага могут продуцировать до 1011 фаговых частиц на мл культуры. Репликация репликативной формы (РФ) ДНК фагов Ff и Pf1 в зараженной клетке и экспрессия их генов происходит непрерывно, поскольку фаговый геном этих фагов не кодирует регуляторных белков. Репликация и экспрессия генов нитчатых фагов, интегрирующих в хромосому, напротив, строго контролируется. Такие фаги кодируют регуляторы транскрипции, ингибирующие образование матричной РНК белка репликации и следующих за ним генов вириона. Следует отметить, что также были обнаружены фаги, которые в условиях нормального роста бактерий могут одновременно существовать в одной клетке в обеих формах.
Основным свойством пилей, которые могут служить первичными рецепторами для нитчатых фагов, является их способность сокращаться по направлению к поверхности клетки, благодаря чему происходит сближение белка pIII фагового вириона с его вторичным рецептором, расположенным в периплазме. Сокращение пили приводит к проникновению pIII и, предположительно, конца вириона через внешнюю клеточную мембрану в периплазматическое пространство, в котором и происходит взаимодействие N1-концевого домена pIII с расположенном в периплазме доменом TolA. Биохимические механизмы, приводящие к сокращению пилей и связыванию белка pIII с TolA, а также дальнейшие стадии инфекции, происходящие после связывания pIII с вторичным рецептором, не изучены. Однако установлено, что в результате всех взаимодействий в
После проникновения в хозяйскую клетку дальнейшая судьба фаговой оцДНК зависит от того, какой стратегии придерживается данный фаг. Если фаг существует в клетке в виде РФ, то происходит репликация, в ходе которой происходит достраивание второй нити ДНК, а если в виде профага – встраивание ее в хромосому (интеграция). Эти процессы осуществляются ферментами, которые в бактериальной клетке обычно работают на двуцепочечной ДНК: РНК-полимеразой при репликации и рекомбиназой XerCD при интеграции в хромосому. В обоих случаях происходит локальное спаривание фаговой оцДНК с образованием двуцепочечных структур, имитирующих соответствующие сайты связывания клеточных ферментов: -35 и -10 районы, подобные промоторным, для РНК-полимеразы и dif- сайт для сайт-специфической рекомбиназы XerCD. Жизненный цикл эписомных фагов Жизненные циклы эписомных и интегрирующих в хромосому нитчатых фагов сильно отличаются друг от друга. Геномы эписомных фагов устроены намного проще и лишены генов, кодирующих белки, необходимые для интеграции в хозяйскую хромосому, а также генов-регуляторов. Примером таких фагов может служить фаг кишечной палочки Ff. Его геном имеет размер 6407 нуклеотидов и содержит 9 генов, однако у него синтезируются 11 белков. Это происходит благодаря наличию внутренних стартов транскрипции у двух генов, pII и pI, с которых происходит считывание РНК для синтеза белков pX и pXI, соответственно. Фаговые белки pII, pV и pX, вовлеченные в репликацию, располагаются в цитоплазме, тогда как все остальные белки встраиваются во внешнюю клеточную мембрану. В ходе инфекции фаговая оцДНК (положительная (+) цепь) проникает в цитоплазму клетки-хозяина, а отделяющийся от нее мажорный белок pVIII интегрирует во внутреннюю клеточную мебрану. После попадания в цитоплазму (+) цепь служит матрицей для синтеза (-)-цепи (рис. 3). Этот процесс не зависит от фаговых белков и осуществляется хозяйскими белками: РНК-полимеразой и ДНК-полимеразой. Для привлечения хозяйской РНК-полимеразы, на (+)-цепи в определенном месте (ориджине репликации (-) цепи) образуются две двунитевые структуры, напоминающие -35 и -10 области промоторов. С таким псевдопромотором связывается хозяйская РНК-полимераза, которая участвует в синтезе затравки для последующей репликации, осуществляемой ДНК-полимеразой. После того, как хозяйская РНК-полимераза садится на мнимый промотор, она начинает синтез РНК на оцДНК фага. На специальном участке, содержащем поли-G, РНК-полимераза останавливается, смещается назад и диссоциирует с матрицы, оставляя РНК-праймер, спаренный с матричной нитью ДНК. Этот фрагмент РНК затем используется хозяйской ДНК-полимеразой III в качестве затравки для синтеза (-) цепи фаговой ДНК, в результате чего образуется двуцепочечная кольцевая молекула. Дальнейшая репликация двуцепочечной ДНК (дцДНК) фага Ff происходит по механизму катящегося кольца. дцДНК форму генома называют репликативной формой (РФ), тогда как положительную (+) цепь оцДНК – инфекционной формой (ИФ). РФ служит матрицей для синтеза ИФ (т.е. (+) цепи) и транскрипции фаговых генов. Ориджин репликации (+) цепи абсолютно необходим для образования оцДНК фага и упаковки ее в вирион. На ранней стадии развития инфекции вновь образованные молекулы (+) цепи служат для синтеза (-) цепи, в результате чего количество РФ фага увеличивается и достигает приблизительно 50 копий на клетку, что, в свою очередь, приводит к увеличению синтеза фаговых белков в клетке. На поздних стадиях инфекции, когда концентрация фаговых белков высока, синтезирующиеся (+) нити одеваются димерами белка pV, связывающимися с оцДНК. С каждой молекулой ДНК связываются приблизительно 15000 молекул pV. оцДНК в комплексе с белком pV служит субстратом для образования зрелых фаговых частиц. Белок pV имеет дополнительную регуляторную функцию: он ингибирует трансляциию белка pII. С белком pV остается не связанным особый участок оцДНК, имеющий форму шпильки с петлей на конце и служащий сигналом для дальнейшей сборки вириона. Благодаря этому сигналу, происходит направленное связывание комплекса оцДНК- pV с комплексом экспорта фага, состоящим из белков pI/pXI/pIV, что затем позволяет минорным белкам pVII и pIX распознать фаговую оцДНК, после чего она может быть упакована в вирион и экспортирована из клетки. Фаговые белки pI, pXI и pIV образуют транспортный комплекс, благодаря чему одновременно происходит сборка зрелых частиц фага и их транспорт наружу, сквозь внутреннюю и внешнюю мембрану клетки. Белки pI и pXI закреплены на внутренней мембране, а pIV – на внешней, но при этом они контактируют между собой. Интеграция нитчатых фагов в хромосому бактерии (лизогения) Как упоминалось выше, только некоторые из нитчатых фагов способны интегрировать в геном клетки-хозяина. Наиболее распространены механизмы интеграции с помощью тирозиновой и сериновой рекомбиназ. Большинство нитчатых фагов, в том числе фаги ксантомонад и холерного вибриона, а также, согласно недавно полученным данным, фаги стенотрофомонад интегрируют в бактериальную хромосому с помощью тирозиновых рекомбиназ XerC и XerD. Во всех исследованных случаях на хромосомах бактерий обнаружены специфические сайты интеграции, так называемые dif-сайты. Основная функция dif -сайта, имеющего размер 28 нуклеотидных пар (нп), заключается в разрешении хромосомных димеров, образующихся при делении бактериальной клетки, с помощью белков XerC и XerD- рекомбиназ; участие их в интеграции нитчатых фагов можно рассматривать в качестве вторичной функции. В этом случае dif -сайт, точнее его 
Рисунок 4. Механизм интеграции в хромосому (схема). Показан процесс рекомбинации между ДНК репликативной формы фага RF и бактериальной хромосомы. Желтым цветом обозначен регуляторный ген R, в состав которого входит сайт рекомбинации фага attP (черный квадрат). Рекомбинантные att сайты (attL и attR) и фрагменты регуляторного гена (‘R и R’) фланкируют интегрированный профаг. часть используется в качестве места внедрения в бактериальную хромосому ДНК нитчатого фага. Как уже было сказано выше, интеграция осуществляется по мехнизму сайт-специфической рекомбинации между последовательностями dif -сайта бактериальной хромосомы(attВ) и, частично с ним перекрывающегося attP-сайта в геноме нитчатого фага. Фаговый аttP сайт, содержит два инвертированных повтора dif сайта, которые образуют шпильку с петлей на конце. Эта шпилька на оцДНК воспроизводит структуру двунитевой последовательности, являющейся сайтом связывания XerCD. Рекомбиназа XerCD узнает такую вторичную структуру и осуществляет сайт-специфическую рекомбинацию между ней и dif- сайтом хромосомы, что приводит к встраиванию в него всей молекулы генома фага. При этом происходит разрезание и воссоединение нитей ДНК двух взаимодействующих партнеров с образованием новых рекомбинантных последовательностей attL и attR (рис 4). Нужно отметить, что у различных видов бактерий dif -сайты, как и attP-сайты несколько различаются по своим Vibrio cholerae VGJphi
dif AGTGCGcATTA’TGTATGTTATGTTAAAT -------- Xanthomonas campestris phiLf, Cf1c attP AgTgCGt ATtA’TGT dif AcTt CGcATaA’TGTATATTATGTCAGAA -------- Stenotrophomonas maltophilia phiSMA7
attP AaTataCATt A’TGc dif At TtcgCATaA’TGtATATTATGTTACAG -------- Рисунок 5. Последовательности dif-сайтов и attP-сайтов. Двунаправленная стрелка обозначает район, в котором происходит разрезание и воссоединение партнеров рекомбинации. последовательностям, но во всех случаях соответствующие пары подогнаны друг к другу, хотя и в различной степени (рис. 5). В то же время, благодаря наличию различий в последовательностях каждой пары attP и attВ, удалось идентифицировать участок рекомбинации, длиной 7 нп. Существенно, что сайты рекомбинации в геноме фага (attP) обычно локализованы в пределах одного из его регуляторных генов. В случае фага VGJphi V.cholerae attP сайт находится внутри регуляторного гена orf154, в связи с чем в результате интеграции фагового генома в хромосому бактерии регуляторный ген разделяется на две части, оказывающиеся на флангах профага (см рис 4). Присутствие attP сайта внутри гена-репрессора, по-видимому, неслучайно. Предполагают, что в результате интеграции фага и установлении лизогенного состояния, сопровождаемого расчленением гена_регулятора функции последнего нарушаются, что неизбежно приводит к изменению функционирования структурных фаговых генов. Лизогенная конверсия и ее роль в развитии патогенности Гены, кодируемые профагом, могут придавать бактерии-хозяину ряд новых свойств. В ряде случаев такие гены находят внутри специфических элементов, так называемых моронов – независимых транскрипционных единиц, содержащихся в геноме фага в дополнение к собственно фаговым генам и распространяющихся с помощью горизонтального переноса. Изучение моронов началось сравнительно недавно в связи с интенсификацией исследований распространенности и роли профагов у различных бактерий в рамках современных геномных проектов. Оказалось, что большинство фагов и не только нитчатых, обладают способностью существовать в двух ипостасях - в форме эписомного фага, размножающегося внутри клетки, и в форме профага, возникающего при интеграции фаговой ДНК в бактериальную хромосому. Многие из таких профагов, включая профаги нитчатых фагов, придают клетке полезные свойства, увеличивая ее приспособленность к окружающей среде. И во многих случаях это явление, получившее название лизогенной конверсии, является следствием присутствия в геноме профага морона (моронов). Некоторые мороны кодируют токсины, ответственные за развитие вирулентности у патогенных бактерий. Одним из наиболее ярких примеров роли профагов, несущих мороны, в формировании патогенных штаммов бактерий является фаг холерного вибриона CTXphi, содержащий гены токсина ctx, кодируемые мороном. Фаг CTXφ, его структура и роль в формировании патогенных штаммов Vibrio cholerae Несмотря на то, что возбудитель холеры холерный вибрион был открыт и описан очень давно, только в 1996 г удалось показать, что гены, кодирующие холерный токсин (оперон ctxAB), не входят в состав бактериального генома, но являются элементами генома нитчатого бактериофага CTXφ, способного интегрировать в геном V. cholerae и формировать стабильные лизогенные штаммы. Оказалось, что по своей структуре фаг CTXφ сходен с ранее изученными нитчатыми фагами; однако отличается от них рядом особенностей (рис 6). В частности было показано, что геном CTXφ состоит из двух районов. Первый, основной (core region) содержит гены ctxA и ctxB, кодирующие холерный токсин, CT, а также гены, необходимые для осуществления морфогенеза фага. При этом гены ctxA и ctxB формируют независимо транскрибирующуся единицу транскрипции, что характерно для моронов. 
Рисунок 6. Геномная организация фага холерного вибриона CTXφ. Цветовое обозначение функциональных генетических модулей как на рисунке 2. Второй район, RS2, содержит три гена: (rstA, rstB и rstR). Продукты первых двух контролируют репликацию фага и способность его к сайт-специфической интеграции, а продукт третьего гена выполняет роль репрессора гена репликации rstA. При интеграции в хромосому CTXφ встраивается рядом с фрагментом родственного фага, называемого сателлитным. Сателлитный фаг содержит гены rstA, rstB и rstR, а также ген rstC с неизвестной функцией. Сателлитный фаг и район RS1 фага CTXφ образуют сложный генетический элемент, присутствующий в геноме всех вирулентных штаммов холерного вибриона (штаммы серотипов O1, El, Tor и O139). Интеграция фага CTXφ в dif-сайт хромосомы бактерий, подобно другим нитчатым фагам, происходит посредством хозяйских рекомбиназ XerC и XerD. При этом в геноме CTXφ обнаружен attP-сайт, родственный по своей структуре attP-сайтам других нитчатых фагов (рис. 5). Холерный токсин СT, образующийся в тонком кишечнике человека, относится к группе AB-токсинов. Его β-субъединица прикрепляется к клеткам тонкого кишечника и переносит a–субъединицу в цитоплазму этих клеток. Здесь происходит запуск каскада реакций, в результате которых происходит выброс хлорида и воды в полость кишечника, вызывающего развитие поноса, характерного для холеры. Недавно было показано, что формирование новых токсигенных штаммов холерного вибриона из природных нетоксигенных штаммов происходит и в настоящее время и что этот процесс осуществляется с участием фага CTXφ. Заключение Нитчатые фаги широко распространены в природе. Они встречаются не только среди грамотрицательных, но и среди грамположительных бактерий. Несмотря на небольшие размеры, многие из них способны лизогенизировать бактерии и придавать последним полезные свойства, повышающие приспособленность к окружающей среде. Подобно другим фагам, нитчатые фаги способствуют формированию разнообразия штаммов у природных и клинических бактерий. В последние годы нитчатые фаги широко используют в работах по генной инженерии, молекулярной биологии и бионанотехнологии. жүктеу/скачать 165.57 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|
