Два пути развития: лизис или сосуществование
В отличие от вирулентных штаммов, умеренные бактериофаги имеют два возможных жизненных сценария после проникновения в клетку.
Первый путь — продуктивный (литический). Он полностью повторяет классический цикл: вирус проникает в клетку, его геном последовательно реплицируется, происходит сборка новых вирионов, и всё завершается гибелью (лизисом) бактерии-хозяина.
Второй путь — интегративный (лизогенный). В этом случае разрушения хозяина не происходит. ДНК вируса проникает в цитоплазму, замыкается в кольцевую форму и путем кроссинговера встраивается в бактериальную хромосому. Встроенная вирусная ДНК называется профагом, а бактерия, несущая этот геном — лизогенной культурой. При каждом делении клетки профаг синхронно удваивается и передается дочерним особям. Само состояние такого мирного сосуществования носит название лизогении.
Важно отметить, что встраивание происходит не случайным образом, а в специфичные гомологичные участки. Например, у бактерии Escherichia coli интеграция фага лямбда осуществляется в строго определенный локус, расположенный между генами метаболизма галактозы и биотина.
Как поддерживается лизогения и формируется иммунитет
Суть лизогении заключается в том, что образование нового фагового потомства полностью блокировано, благодаря чему клетка не разрушается. Этот статус-кво контролируется генетически. Гены самого профага кодируют синтез особого низкомолекулярного белка — специфического репрессора. Именно он выступает главным «сдерживающим» фактором. Механизм его действия прост: репрессор подавляет транскрипцию (считывание) тех участков вирусного генома, которые отвечают за вегетативное размножение.
Наличие в цитоплазме уже синтезированного репрессора обуславливает интересный феномен — иммунитет лизогенных бактерий. Если в клетку попытается проникнуть ДНК аналогичного (гомологичного) фага, произойдет суперинфекция. Однако размножиться новый вирус не сможет: белок-репрессор немедленно заблокирует переход свежей вирусной ДНК в вегетативное состояние, предотвращая лизис клетки.
Индукция профага: возвращение к лизису
Сам термин «лизогения» подразумевает лишь потенциальную способность клетки к разложению. Процесс перехода из скрытого состояния в активное обратим и называется индукцией (или дерепрессией). При индукции профаг исключается из хромосомы бактерии, запускается синтез вирусных компонентов, собираются новые вирионы, и клетка погибает. Основа этого механизма — инактивация белка-репрессора под действием внешних факторов.
Выделяют два типа индукции:
- Спонтанная: Происходит самопроизвольно с крайне низкой частотой (от $10^{-2}$ до $10^{-6}$). Из-за такой редкости массовой гибели культуры не наблюдается.
- Направленная (индуцированная): Запускается искусственно при воздействии мутагенов. К физическим агентам относят ультрафиолетовое излучение и ионизирующую радиацию. К химическим — перекисные соединения, митомицин С и другие.
В биотехнологии спонтанная индукция несет серьезные риски: внезапный лизис промышленных бактерий-продуцентов может привести к потере ценного продукта, например, партии антибиотиков или витаминов. Зато в генной инженерии направленная индукция активно применяется для исследовательских задач.
Фаговая конверсия и плазмидная локализация
Интегрированный вирусный геном способен наделять хозяина новыми биологическими свойствами: морфологическими, биохимическими, культуральными или антигенными. Это явление называется фаговой конверсией.
Самый известный клинический пример связан с возбудителем дифтерии (Corynebacterium diphtheriae). Эта бактерия способна вырабатывать свой главный фактор патогенности — дифтерийный экзотоксин — исключительно при наличии в её геноме специфического профага. Без интеграции фага бактерия остается нетоксигенной.
Существуют и исключения из общих правил поведения умеренных фагов:
- Дефектные фаги. Они навсегда утратили возможность формировать полноценные вирусные частицы и не могут завершить цикл развития ни в естественной среде, ни при искусственной индукции.
- Плазмидная локализация. Геном некоторых фагов (например, фага P1) вообще не встраивается в бактериальную хромосому. Он существует в цитоплазме автономно, подобно плазмиде. Такие автономные вирусы широко применяются в качестве векторов в генной инженерии для направленного переноса генетической информации.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие последовательные стадии включает продуктивный (литический) цикл репродукции бактериофага?
Продуктивный (литический) цикл репродукции бактериофага включает пять основных последовательных стадий.
- Адсорбция — прикрепление фага к специфическим рецепторам клеточной стенки бактерии.
- Проникновение НК (инъекция) — расщепление клеточной стенки лизоцимом и впрыскивание вирусной ДНК в цитоплазму.
- Биосинтез компонентов фага — подавление метаболизма клетки-хозяина, транскрипция фаговой ДНК и трансляция вирусных белков.
- Сборка структурных компонентов — формирование капсидов и отростков, заполнение пустых головок нуклеиновой кислотой.
- Морфогенез зрелых частиц и выход — соединение капсида с хвостовой частью, разрушение оболочки бактерии и лизис клетки с выходом потомства в окружающую среду.
Какие ферменты катализируют процессы интеграции вирусной ДНК в хромосому и ее исключения при индукции?
Процесс интеграции вирусной ДНК в хромосому клетки-хозяина катализируют несколько ферментов, однако специфические ферменты исключения при индукции в источниках не описаны. Встраивание ДНК-содержащих вирусов обеспечивают:
- Рестриктазы — участвуют в подготовке участков ДНК.
- Эндонуклеазы — расщепляют нуклеиновые кислоты.
- Лигазы — сшивают фрагменты ДНК.
Для РНК-содержащих вирусов перед интеграцией работает обратная транскриптаза (ревертаза), синтезирующая комплементарную нить ДНК. Исключение профага при индукции происходит за счет инактивации белка-репрессора под действием внешних факторов, но конкретные ферменты этого этапа не указаны.
Какие известные бактериальные экзотоксины, помимо дифтерийного, кодируются генами умеренных бактериофагов?
Помимо дифтерийного экзотоксина, генами умеренных бактериофагов кодируются стрептококковые пирогенные экзотоксины.
- Стрептококковые пирогенные экзотоксины (эритрогенный токсин Дика, токсин сыпи, скарлатинозный токсин, эритрогенин) — вырабатываются штаммами Streptococcus pyogenes.
Их синтез напрямую связан с явлением лизогении: бактериальные штаммы, не содержащие умеренного фага, не способны продуцировать данные токсины. Эти экзотоксины вызывают системный токсический эффект и характерную ярко-красную сыпь при скарлатине за счет некротического действия на эндотелий сосудов и активации Т-лимфоцитов.
Чтобы легко запомнить суть индукции, представьте, что белок-репрессор — это «тормоз». Ультрафиолетовое излучение или химические агенты «ломают тормоз», и профаг стремительно переходит в вегетативную фазу, что заканчивается лизисом клетки.
Вопросы с занятий и экзамена
В чем главное отличие умеренного фага от вирулентного?
Вирулентные фаги всегда идут по литическому пути и убивают бактерию. Умеренные фаги способны встраивать свой геном в хромосому хозяина, сохраняя ему жизнь и реплицируясь вместе с ним (лизогения).
Почему лизогенная бактерия не разрушается при суперинфекции?
В цитоплазме лизогенной клетки уже присутствует синтезированный белок-репрессор. Он блокирует транскрипцию генов любого проникшего гомологичного фага, не давая ему перейти к размножению.
Что произойдет с биотехнологическим производством при спонтанной индукции?
Спонтанная индукция у промышленных штаммов приводит к переходу профага в литический цикл, массовой гибели культуры и, как следствие, потере производимого продукта (витаминов, антибиотиков).
Что ещё разобрать по теме
- Молекулярный механизм интеграции по типу кроссинговера
- Локализация фагов: галактозный и биотиновый локусы
- Использование автономных фагов в качестве генетических векторов
- Строение и принципы работы белка-репрессора
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Умеренные бактериофаги и лизогения» и ещё 4 383 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 141 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Физиология микробов»
Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.