Взаємодія фага з бактеріальною клітиною
По механізму взаємодії розрізняють вірулентні і помірні фагі.Вірулентние фаги, проникнувши в бактеріальну клітину, автономно репродукується вней і викликають лізис бактерій. Процес взаємодії вірулентного фага сбактеріей протікає у вигляді декількох стадій і дуже схожий з процессомвзаімодействія вірусів людини і тварин з кліткою господаря. Однак для фагів, що мають хвостовий відросток зскорочується чохлом, він має особливості. Етіфагі адсорбуються на поверхні бактеріальної клітини за допомогою фібріллхвостового відростка. В результаті активації фагового ферменту АТФази проісходітсокращеніе чохла хвостового відростка і впровадження стержня в клітку. У процесі «проколювання» клітинної стінки бактерії бере участь фермент лізоцим, що знаходиться на кінці хвостового відростка. Слідом за цим ДНК фага, содержащаясяв голівці, проходить через порожнину хвостового стрижня і активно впорскується вцітоплазму клітини. Решта структурні елементи фага (капсид і відросток) залишаються поза клітиною.
Після біосинтезу фагових компонентів і їх самозборки в бактеріальнойклетке накопичується до 200 нових фагових частинок. Під дією фаговоголізоціма і внутрішньоклітинного осмотичного тиску відбувається руйнування клеточнойстенкі, вихід фагового потомства в навколишнє середовище і лізис бактерії. Одінлітіческій цикл (від моменту адсорбції фагів до їх виходу з клітини) триває 30 - 40 хв. Процес бактеріофагії проходить кілька циклів, покане будуть лизировать всі чутливі до даного фагу бактерії.
Взаємодія фагів з бактеріальною клітиною характерізуетсяопределенной ступенем специфічності. За специфічності дії разлічаютполівалентние фаги, здатні взаємодіяти з родинними видами бактерій, моновалентні фаги, які взаємодіють з бактеріями певного виду, ітіповие фаги, які взаємодіють з окремими варіантами (типами) даного відабактерій.
Помірні фаги лизируют не всі клітини в популяції, з частиною з них онівступают в симбіоз, в результаті чого ДНК фага вбудовується в хромосомубактеріі. В такому випадку геномом фага називають профаг. Профаг, що став частьюхромосоми клітини, при її розмноженні реплицируется синхронно з геном бактерії, не викликаючи її лізису, і передається у спадок від клітини до клеткенеограніченному числа нащадків. Біологічне явище симбіозу мікробної клеткіс помірним фагом (профагом) називається Лізогенія, а культура бактерій, що містить профаг, отримала назву лізогенной. Ця назва (від грец. Lysis - розкладання, genea - походження) відображає здатність профагасамопроізвольно або під дією ряду фізичних і хімічних факторовісключаться з хромосоми клітини і переходити в цитоплазму, тобто поводитися каквірулентний фаг, лізуючий бактерії.
Лізогенія культури за своїми основними властивостями не відрізняються отісходних, але вони несприйнятливі до повторного зараження гомологічним іліблізкородственним фагом і, крім того, набувають додаткові властивості, які знаходяться під контролем генів профага. Зміна свойствмікроорганізмов під впливом профага отримало назву фаговой конверсіі.Последняя має місце у багатьох видів мікроорганізмів і стосується різних іхсвойств: культуральних, біохімічних, токсигенних, антигенних, чутливості до антибіотиків і ін. Крім того, переходячи з інтегрірованногосостоянія в вірулентну форму, помірний фаг може захопити частина хромосомиклеткі і при лизисе останньої переносить цю частину хромосоми в іншу клетку.Еслі мікробна клітина стане лізогенной, вона набуває нових властивостей. Такимобразом, помірні фаги є потужним фактором мінливості мікроорганізмів.
Помірні фаги можуть завдати шкоди мікробіологічному проізводству.Так, якщо мікроорганізми, використовувані в якості продуцентів вакцин, антибіотиків та інших біологічних речовин, виявляються Лізогенія, існує небезпека переходу помірного фага в вірулентну форму, чтонемінуемо призведе до лізису виробничого штаму.
редуктивного інфекція
Її викликають лише помірні фаги. У цьому випадку їх життєвий ціклскладивается з наступних стадій:
а) адсорбція фага на поверхні клітини;
б) проникнення фаговой ДНК в бактеріальну клітину;
в) сайт - специфічна інтеграція фаговой ДНК в хромосомуклеткі-господаря і перетворення фага в профаг.
Якщо перші дві стадії протікають так само, як у випадку продуктівнойінфекціі, то третя вимагає участі додаткових фагів і хазяйських генів.
Механізм інтеграції фаговой ДНК в хромосому бактеріальної клітини лучшевсего вивчений на прикладі фага (Лямбда). Фаг складається з головки іхвостіка. Його геном представлений двунітевой лінійної ДНК, що має «липкі» кінці (надлишкові нуклеотидні послідовності на протилежних кінцях ниток, комплементарні один одному), тому вона може переходити в кільцеву структуру, необхідну для її включення в хромосому клітини-господаря. ДНК фага X має м. М. Близько 30 МД, містить 46 500 нуклеотіднихпар і несе 32 гена, 7 з яких кодують головку, 11 - хвостик, а остальниеіграют регуляторну роль.
Відео: Бактеріофаги. Наука 2.0. Росія 2
Фаг включається в хромосому Е. colt междугенамі gal і bio з помощьюсайт - специфічної рекомбінації. Вона виявляється можливою тому, що ДНКфага має особливий ділянку - attP (від англ.attachment phage -прікрепленіе фага). Такий же ділянку є і в хромосомі Е.coli - attB. Онрасположен між генами gal і bio. Ділянки att імеютсложную структуру і складаються з 250 нуклеотидів. В результаті рекомбінації междуattP і attB, що протікає за механізмом кроссннговера, фагів ДНКоказивается включеної в хромосому, причому зліва вона фланкирована ділянкою attL (від англ. left; лівий), а праворуч -attR (від англ. right - правий), які утворюються внаслідок рекомбінаціімежду attP і attB.Рекомбінація протікає з участіемгенов red фага і Гесаа - бактерії. для
інтеграції потрібно також білок фага - продукт гена int (інтеграли) і особливий хазяйський білок інтеграціі.Такім чином, геном фага, інтегруючись в хромосому, перетворюється в профаг, аклетка стає лізогенной. Виходу профага з хромосоми препятствуетцітоплазматіческій репрессор, який наділяє клітину одночасно іммунітетомпротів повторного інфікування даними фагом. Синтез репрессора контроліруетсяфагом. Однак профаг спонтанно або під впливом різних факторів (хімічні речовини, опромінення УФ, рентгенівськими променями, повишеннаятемпература) може виходити з хромосоми клітини і викликати продуктівнуюінфекцію, що закінчується лізисом клітини і виходом з неї знову сінтезірованнихвіріонов. Механізм виходу (виключення фага) з хромосоми полягає в тому, щовідбувається рекомбінація між attL і attR, в результаті якої відновлюються attP і attB, а фаговаяДНК приймає кольцевидную структуру і виключається з хромосоми. Процес виходатребует участі, крім зазначених вище білків, ще одного білка - продуктафагового гена xis (ген ексцизію, виключення).
Помірні фаги грають важливу роль в обміні генетичним матеріаломмежду бактеріями. Цей процес отримав назву трансдукції. Розрізняють загальну (генералізовану, або неспецифічну) і специфічну трансдукцію.
Загальна трансдукция
Механізм її полягає в тому, що в процесі внутріклеточногоразмноженія фага в його головку може бути випадково включений замість фаговой ДНКфрагмент бактеріальної ДНК, рівний по довжині фаговой. Це цілком можливо, таккак в інфікованій клітині біосинтез її ДНК блокований, а сама ДНКподвергается розпаду. Таким чином в процесі репродукції фага вознікаютдефектние віріони, у яких в голівках замість власної геномної ДНКсодержітся фрагмент ДНК бактерії. Такі фаги зберігають інфекційні свойства.Оні адсорбуються на бактеріальної клітці, вводять в неї ДНК, що міститься вголовке, але при цьому розмноження фага не відбувається. Введена в клеткуреціпіента донорная ДНК (фрагмент хромосоми донора), якщо вона містить гени, які відсутні у реципієнта, наділяє його новою ознакою. Ця ознака буде залежати від того, який ген (гени) потрапив в головку трансдуцірующего фага. Уразі рекомбінації привнесеного фагом фрагмента ДНК донора з хромосомойклеткі - реципієнта ця ознака спадково закріплюється.
специфічна трансдукція
Відрізняється від неспецифічної тим, що в цьому випадку трансдуцірующіефагі завжди переносять тільки певні гени, а саме, ті з них, коториерасполагаются в хромосомі лізогенной клітини зліва від attL або праворуч від attR. Специфічна трансдукція завжди пов`язана сінтеграціей помірного фага в хромосому клітини-господаря. При виході (виключенні) з хромосоми профаг може захопити ген з лівого або правого флангу, наприклад gal, або bio. Але в етомслучае він повинен позбутися такого ж розміру своєї ДНК з протилежного кінця, щоб її загальна довжина залишалася незмінною (інакше вона не може бути упакована вголовку фага). Тому при такій формі виключення утворюються дефектні фаги: A - dgal або Xdbio.
Специфічну трансдукцію у Е. coli осуществляетне тільки фаг лямбда, а й родинні йому лямбдоідние і інші фаги. В залежності від місця розташування сайтів attB на хромосомі вони при своєму виключення можуть включатьразлічние бактеріальні гени, зчеплені з профагом, і трансдуціровать їх раптом клітини. Вбудовується в геном матеріал може заміщати до 1 / 3генетіческого матеріалу фага.
Трансдуцірующій фаг в разі інфікування реципієнтную клеткіінтегріруется в її хромосому і привносить в неї новий ген (новий ознака), опосредуя не тільки лизогенизации, але і Лізогенія конверсію.
Таким чином, якщо при неспецифічної трансдукції фаг є толькопассівним переносником генетичного матеріалу, то при специфічної фагвключает цей матеріал в свій геном і передає його, лізогенізіруя бактерії, реципієнту. Однак лізогенна конверсія може статися і в тому випадку, еслігеном помірного фага містить такі власні гени, які у клеткіотсутствуют, але відповідають за синтез суттєво важливих білків. Наприклад, здатністю виробляти екзотоксин володіють тільки ті збудники дифтерії, вхромосому яких інтегрований помірний профаг, що несе оперон tox. Він відповідає за синтез дифтерійного токсину. Іначеговоря, помірний фаг tox визиваетлізогенную конверсію нетоксігенним дифтерійної палички в токси - генну.
Фаги розмножуються тільки за рахунок паразитування в мікробної клітці. Іхразмноженіе в бульонной культурі призводить до того, що культура, колишня переддобавленіем фага каламутній, через кілька годин інкубації при 37 ° С становітсяпрозрачной. На щільних середовищах фаги виявляють або за допомогою спот - тесту, або методом агарових шарів, запропонованим А. Граціа (1936). У першому випадку на поверхню агару в чашці засівають культуру, а потім на неї наносять каплюсодержащего фаг матеріалу. Якщо в ньому міститься багато віріонів, то на местенанесенія краплі буде велике стерильне пляма (Англ. spot - пляма).
Метод агарових шарів полягає в наступному. Спочатку в чашку наліваютслой поживного агару. Після застигання на цей шар додають 2 млрасплавленного і охолодженого до 45 ° С 0,7% - ного агару, в которийпредварітельно додають краплю концентрованої суспензії бактерій іопределенний обсяг суспензії фага. Після того, як верхній шар застигне, чашкупомещают в термостат. Бактерії розмножуються всередині м`якого шару агару, образуясплошной непрозорий фон, на якому добре видно колонії фага в відестерільних плям. Кожна колонія утворюється за рахунок размноженіяодного вихідного фагового віріона. Застосування цього методу дозволяє:
а) шляхом підрахунку колоній точно визначити кількість жізнеспособнихфагових віріонів в даному матеріалі;
б) за характерними ознаками (розмір, прозорість та ін.), ізучатьнаследственную мінливість V фагів.
За спектром дії на бактерії фаги підрозділяються наполівалентние (лизируют родинні бактерії, наприклад полівалентний сальмонельозний фаглізірует майже всі сальмонели), монофаги (лизируют бактерії толькоодного виду, наприклад фаг Vi - I лізіруеттолько збудників черевного тифу) і тіпоспеціфіческіефагі, коториеізбірательно лизируют окремі варіанти бактерій всередині виду. За допомогою такіхфагов проводиться найбільш тонка диференціація бактерій всередині виду, сразделеніем їх на фаговаріанти. Наприклад, за допомогою набору фагів Vi - II возбудітельбрюшного тифу ділиться більш ніж на 100 фаговаріантов. Посколькучувствітельность бактерій до фагів є відносно стабільним ознакою, пов`язаним з наявністю відповідних рецепторів, фаготіпірованіе має важноедіагностіческое і епідеміологічне значення.
