Т четный бактериофаг кишечной палочки

Вирус Escherichia T4 – это разновидность бактериофагов , инфицирующих бактерии Escherichia coli . Это двухцепочечный ДНК-вирус подсемейства Tevenvirinae из семейства Myoviridae . Т4 может проходить только литический жизненный цикл, но не лизогенный жизненный цикл . Этот вид ранее назывался Т-четный бактериофаг – это название, которое также включает, среди других штаммов (или изолятов), фаг Enterobacteria T2 , фаг Enterobacteria T4 и фаг Enterobacteria T6 .

Бактериофаг означает «поедание бактерий», а фаги хорошо известны как облигатные внутриклеточные паразиты, которые размножаются внутри клетки-хозяина и высвобождаются, когда хозяин разрушается путем лизиса . Эти вирулентные вирусы, содержащие около 160 генов , являются одними из самых крупных и сложных известных вирусов и одними из наиболее изученных модельных организмов . Они сыграли ключевую роль в развитии вирусологии и молекулярной биологии .

Использование в исследованиях

Начиная с 1940-х годов и до настоящего времени, Т-четные фаги считаются наиболее изученными модельными организмами. Обычно требуется, чтобы модельные организмы были простыми и содержали всего пять генов . Тем не менее, T-четные фаги на самом деле являются одними из самых крупных и сложных вирусов , в которых генетическая информация этих фагов состоит из примерно 160 генов. Совпадая со своей сложностью, было обнаружено, что Т-четные вирусы обладают невообразимой особенностью, не имеющей аналогов, наличием необычного основного гидроксиметилцитозина (HMC) вместо основного цитозина нуклеиновой кислоты . В дополнение к этому, остатки HMC на Т-четном фаге глюкозилируются по определенной схеме. Эта уникальная особенность позволила сформировать новые ферменты, которые никогда не существовали в T-четных инфицированных клетках или любых других клетках, а модификация ДНК T-четного фага обеспечила фундаментальный прогресс на вирусном и молекулярном уровнях. Другой уникальной особенностью вируса T-even является регулируемая экспрессия генов . Эти уникальные особенности и другие особенности придали значение Т-четным фагам, включая трансдукцию, которая отвечает за передачу свойств устойчивости к лекарственным средствам, лизогенное преобразование отвечает за приобретение новых характеристик, таких как образование новых ферментов, случайная вставка в бактериальную хромосому. могут вызывать инсерционные мутации , эпидемиологическое типирование бактерий ( фаговое типирование ), фаги широко используются в генной инженерии, где они служат векторами клонирования . Библиотеки генов и моноклональных антител хранятся в фагах. Вдобавок ко всему они отвечают за естественное удаление бактерий из водоемов.

Геном и структура

Геном двухцепочечной ДНК вируса Т4 имеет длину около 169 т.п.н. и кодирует 289 белков . Геном T4 окончательно избыточен и сначала реплицируется как единое целое, затем несколько геномных единиц рекомбинируются встык, образуя конкатемер . При упаковке конкатемер разрезается в неспецифических положениях одинаковой длины, что приводит к нескольким геномам, которые представляют собой циклические перестановки оригинала. Геном Т4 содержит интронные последовательности, подобные эукариотам .

Перевод

Последовательность Шайна-Далгарно GAGG доминирует в ранних генах вируса Т4, тогда как последовательность GGAG является мишенью для эндонуклеазы Т4 RegB, которая инициирует раннюю деградацию мРНК.

Структура вирусных частиц

T4 – относительно большой вирус, его ширина составляет примерно 90 нм, а длина – 200 нм (длина большинства вирусов составляет от 25 до 200 нм). Геном ДНК находится в головке икосаэдра , также известной как капсид . Хвост Т4 полый, так что он может передавать свою нуклеиновую кислоту в зараженную клетку после прикрепления. Фаги Myoviridae, такие как T4, имеют сложные структуры сократительного хвоста с большим количеством белков, участвующих в сборке и функционировании хвоста. Волокна хвоста также важны для распознавания рецепторов на поверхности клетки-хозяина, поэтому они определяют, находится ли бактерия в пределах диапазона хозяина вируса.

Недавно была описана структура 6-мегадальтонной базовой пластины Т4, которая включает 127 полипептидных цепей 13 различных белков (генные продукты 5, 5.4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 25, 27, 48 и 53). в атомарных деталях. Также была создана атомная модель проксимальной области хвостовой трубки, образованной gp54 и белком основной трубки gp19. Белок gp29 с рулеткой присутствует в комплексах базовая пластинка-хвостовая трубка, но его нельзя смоделировать.

Процесс заражения

Вирус Т4 инициирует инфекцию Escherichia coli , связывая белки порина OmpC и липополисахарид (LPS) на поверхности клеток E. coli своими волокнами длинного хвоста (LTF). Сигнал распознавания отправляется через LTF на опорную плиту. Это разрушает короткие хвостовые волокна (STF), которые необратимо связываются с поверхностью клеток E. coli . Базовая пластинка меняет конформацию, и оболочка хвоста сокращается, в результате чего GP5 на конце хвостовой трубки пробивает внешнюю мембрану клетки. Лизоцим домен GP5 активируется и ухудшает периплазматический пептидогликан слой. Оставшаяся часть мембраны разрушается, и затем ДНК из головы вируса может пройти через хвостовую трубку и проникнуть в клетку E. coli .

Размножение

Литический жизненный цикл (от входа бактерии к его разрушению) занимает около 30 минут (при 37 ° C). Вирулентные бактериофаги размножаются в своем бактериальном хозяине сразу после проникновения. После того, как количество фагов-потомков достигнет определенного количества, они заставят хозяина лизироваться или разрушаться, поэтому они высвобождаются и заражают новые клетки-хозяева. Процесс лизиса и высвобождения хозяина называется литическим циклом . Литический цикл – это цикл размножения вируса, который включает разрушение инфицированной клетки и ее мембраны. В этом цикле участвует вирус, который заставляет клетку-хозяина и ее механизмы воспроизводиться. Следовательно, вирус должен пройти 5 стадий, чтобы воспроизвести и заразить клетку-хозяина:

• Адсорбция и проникновение (начинается сразу)
• Остановка экспрессии гена хозяина (начинается немедленно)
• Синтез ферментов (запуск через 5 минут)
• Репликация ДНК (начинается через 10 минут)
• Формирование новых вирусных частиц (через 12 минут)

После завершения жизненного цикла клетка-хозяин взрывается и выбрасывает вновь созданные вирусы в окружающую среду, разрушая клетку-хозяина. T4 имеет размер взрыва приблизительно 100-150 вирусных частиц на инфицированного хозяина. Тесты комплементации, делеции и рекомбинации можно использовать для картирования локуса гена rII с помощью T4. Эти вирусы Escherichia инфицируют хозяйскую клетку своей информацией, а затем взрывают хозяйскую клетку, тем самым размножаясь.

Адсорбция и проникновение

Как и все другие вирусы, T-четные фаги не просто случайно прикрепляются к поверхности своего хозяина; вместо этого они «ищут» и связываются с рецепторами , специфическими белковыми структурами, обнаруженными на поверхности хозяина. Эти рецепторы различаются в зависимости от фага; тейхоевая кислота , белки клеточной стенки и липополисахариды , жгутики и пили могут служить рецепторами для связывания фага. Чтобы Т-четный фаг заразил своего хозяина и начал свой жизненный цикл, он должен вступить в первый процесс заражения – адсорбцию фага на бактериальной клетке. Адсорбция – это ценностная характеристика пары фаг-хозяин, и адсорбция фага на поверхности клетки-хозяина проиллюстрирована как двухэтапный процесс: обратимый и необратимый. Он включает структуру хвоста фага, которая начинается, когда волокна хвоста фага помогают связать фаг с соответствующим рецептором его хозяина. Этот процесс обратимый. Один или несколько компонентов базовой пластины опосредуют необратимый процесс связывания фага с бактерией.

Проникновение также является важной характеристикой инфекции фага-хозяина, которая включает инъекцию генетического материала фагов внутрь бактерии . Проникновение нуклеиновой кислоты происходит после фазы необратимой адсорбции. Механизмы проникновения нуклеиновой кислоты фагов индивидуальны для каждого фага. Этот механизм проникновения может включать электрохимический мембранный потенциал , молекулы АТФ , ферментативное расщепление пептидогликанового слоя, или все три из этих факторов могут быть жизненно важными для проникновения нуклеиновой кислоты внутрь бактериальной клетки. Были проведены исследования механизма проникновения бактериофага Т2 (Т4-подобный фаг), и было показано, что хвост фага не проникает внутрь стенки бактериальной клетки, а проникновение этого фага включает электрохимический мембранный потенциал на внутренней мембране.

Репликация и упаковка

Геном вируса Т4 синтезируется в клетке-хозяине с использованием репликации по вращающемуся кругу. Время, необходимое для репликации ДНК в живой клетке, измеряли как скорость удлинения ДНК вируса Т4 в инфицированной вирусом E. coli. В период экспоненциального увеличения ДНК при 37 ° C скорость составила 749 нуклеотидов в секунду. Частота мутаций на пару оснований на репликацию во время синтеза ДНК вируса Т4 составляет 1,7 на 10 -8 , это высокоточный механизм копирования ДНК, только с 1 ошибкой на 300 копий. Вирус также кодирует уникальные механизмы восстановления ДНК . Головка фага Т4 пуста собирается вокруг каркасного белка, который позже разрушается. Следовательно, ДНК должна попасть в головку через крошечную пору, что достигается за счет взаимодействия гексамера gp17 с ДНК, который также служит двигателем и нуклеазой. Было обнаружено, что двигатель упаковки ДНК Т4 загружает ДНК в вирусные капсиды со скоростью до 2000 пар оснований в секунду. При увеличении мощности задействованная мощность была бы эквивалентна мощности среднего автомобильного двигателя.

Трансдукция происходит в литическом цикле, когда единицы бактериальной ДНК упакованы в фаговый капсид.

Релиз

Заключительный этап размножения и размножения вирусов определяется высвобождением вирионов из клетки-хозяина. Высвобождение вирионов происходит после разрыва плазматической мембраны бактерий. Вирусы без оболочки лизируют клетку-хозяина, которая характеризуется вирусными белками, атакующими пептидогликан или мембрану. Лизис бактерий происходит, когда капсиды внутри клетки высвобождают фермент лизоцим, который разрушает клеточную стенку. Высвободившиеся бактериофаги инфицируют другие клетки, и цикл размножения вируса повторяется внутри этих клеток.

Лизогенный цикл

Лизогенные фаги размножаются одним из двух способов; либо путем перехода в неактивное или латентное состояние, либо путем размножения в литической фазе. Посредством процесса, известного как лизогения, ДНК фага реплицируется с репликацией хромосомы хозяина, ассимилируясь в самой хромосоме хозяина. Затем он передается дочерним клеткам; вот почему он обычно не распознается хостом. Процесс, известный как лизогенная или фаговая конверсия, изменяет свойства бактериальной клетки; это возможно, потому что сам профаг содержит гены, которые могут придавать новые свойства бактериальной клетке или клетке-хозяину. Эти бактерии считаются лизогенизированными. Лизогенизированные бактерии устойчивы к суперинфекции такими же или родственными фагами. Это известно как иммунитет к суперинфекции.

Повторная активация множественности

Реактивация множественности (MR) – это процесс, с помощью которого два или более вирусных генома, каждый из которых содержит инактивирующее повреждение генома, могут взаимодействовать внутри инфицированной клетки с образованием жизнеспособного вирусного генома. Сальвадор Лурия, изучая УФ-облученный вирус Т4 в 1946 году, открыл MR и предположил, что наблюдаемая реактивация поврежденного вируса происходит по механизму рекомбинации. (См. Ссылки). Это предшествовало подтверждению ДНК как генетического материала в 1952 году в родственном вирусе Т2. от эксперимента Херши-Чейз .

Как вспоминал Лурия (1984, стр. 97), открытие реактивации облученного вируса (называемой « реактивацией множественности ») сразу же вызвало волну активности в изучении восстановления радиационных повреждений в группе ранних фагов (обзор Бернстайна в 1981 г.). Позже выяснилось, что восстановление поврежденного вируса взаимной помощью, которое обнаружил Лурия, было лишь частным случаем восстановления ДНК. Клетки всех типов, не только бактерии и их вирусы, но и все изученные организмы, включая человека, теперь, как известно, обладают сложными биохимическими процессами восстановления повреждений ДНК (см. Восстановление ДНК ). В настоящее время признается, что процессы репарации ДНК играют решающую роль в защите от старения , рака и бесплодия .

MR обычно представляет собой «кривые выживаемости», где выживаемость бляшкообразующей способности многократно инфицированных клеток (мультикомплексов) отображается в зависимости от дозы агента, повреждающего геном. Для сравнения, выживаемость вирусных бляшек однократно инфицированных клеток (монокомплексов) также наносится на график в зависимости от дозы агента, повреждающего геном. На верхнем рисунке показаны кривые выживаемости мультикомплексов и монокомплексов вируса Т4 при увеличении дозы УФ-излучения. Поскольку выживаемость нанесена на логарифмическую шкалу, ясно, что выживаемость мультикомплексов превышает выживаемость монокомплексов в очень большие факторы (в зависимости от дозы). Кривая УФ-инактивации для мультикомплексов имеет начальное плечо. Другими агентами, повреждающими ДНК вируса Т4 с плечом на их мультикомплексных кривых выживания, являются рентгеновские лучи и этилметансульфонат (EMS). Присутствие плеча было интерпретировано как означающее, что используются два рекомбинационных процесса. Первый восстанавливает ДНК с высокой эффективностью (в «плече»), но насыщается своей способностью по мере увеличения повреждений; второй путь действует на всех уровнях повреждения. Выживший вирус Т4, высвобожденный из мультикомплексов, не показывает увеличения мутаций , что указывает на то, что MR вируса, облученного УФ-излучением, является точным процессом.

На нижнем рисунке показаны кривые выживаемости при инактивации вируса Т4 повреждающим ДНК агентом митомицином С (MMC). В этом случае кривая выживаемости для мультикомплексов не имеет начального плеча, что позволяет предположить, что активен только второй процесс рекомбинационной репарации, описанный выше. На эффективность восстановления с помощью этого процесса указывает наблюдение, что доза MMC, которая позволяет выжить только 1 из 1000 монокомплексов, позволяет выжить примерно 70% мультикомплексов. Аналогичные мультикомплексные кривые выживаемости (без плеч) были также получены для ДНК-повреждающих агентов P32 распада, псоралена плюс ближнее УФ-облучение (PUVA), N-метил-N’-нитро-N-нитрозогуанидин (MNNG), метилметансульфонат (MMS ) и азотистой кислоты .

Некоторые из генов, необходимых для MR в вирусе T4, оказались ортологами генов, необходимых для рекомбинации у прокариот , эукариот и архей . Это включает, например, ген Т4 uvsX, который определяет белок, который имеет трехмерную структурную гомологию с RecA из Escherichia coli и гомологичным белком RAD51 у эукариот и RadA у архей . Было высказано предположение, что эффективная и точная рекомбинационная репарация повреждений ДНК во время MR может быть аналогична процессу рекомбинационной репарации, который происходит во время мейоза у эукариот .

История

Бактериофаги были впервые обнаружены английский ученый Фредерик Творт в 1915 году и Д’Эрелль в 1917 г. В конце 1930 – х годов, TL Rakieten предложил либо смесь сырой канализации или лизата из E. coli , инфицированных с сырым канализации в двух исследователей Milislav Демерец и Уго Фано . Эти два исследователя выделили Т3, Т4, Т5 и Т6 из кишечной палочки . Также в 1932 году исследователь Дж. Бронфенбреннер изучал и работал над фагом Т2, на котором фаг Т2 был выделен из вируса. Эта изоляция была сделана из фекалий, а не из канализации. Во всяком случае, Дельбрук участвовал в открытии Т-четных фагов. Его часть заключалась в нахождении бактериофагов типа 1 (T1), типа 2 (T2), типа 3 (T3) и т. Д.

Конкретное время и место выделения вируса Т4 остается неясным, хотя, вероятно, они были обнаружены в сточных водах или фекалиях. T4 и подобные вирусы были описаны в статье Томаса Ф. Андерсона , Макса Дельбрюка и Милислава Демерека в ноябре 1944 года.

Ряд лауреатов Нобелевской премии работали с вирусом Т4 или Т4-подобными вирусами, в том числе Макс Дельбрюк , Сальвадор Лурия , Альфред Херши , Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик . К другим важным ученым, работавшим с вирусом Т4, относятся Майкл Россманн , Сеймур Бензер , Брюс Альбертс , Гизела Мозиг , Ричард Ленски и Джеймс Булл .

Смотрите также

• Система T4 rII
• Фаг Т2
• Фаг Т6
• Бактериофаг
• Вирусология

Ссылки

дальнейшее чтение

внешние ссылки

• Viralzone : Т4-подобные вирусы
• Анимация бактериофага Т4, заражающего кишечную палочку
• Анимация упаковки ДНК бактериофага Т4