Что такое бактериофаг?

Бактериофаг — это вирус, который заражает бактерии. Бактериофаги, впервые обнаруженные в 1915 году, сыграли уникальную роль в вирусной биологии. Возможно, они являются наиболее понятными вирусами, но в то же время их структура может быть чрезвычайно сложной. Бактериофаг — это, по сути, вирус, состоящий из ДНК или РНК, который заключен в оболочку белка. Белковая оболочка или капсид защищает вирусный геном. Некоторые бактериофаги, такие как бактериофаг T4, который заражает E.coli, также имеют белковый хвост, состоящий из волокон, которые помогают прикрепить вирус к его хозяину. Использование бактериофагов сыграло важную роль в выяснении, что вирусы имеют два основных жизненных цикла: литический цикл и лизогенный цикл.

Вирулентные бактериофаги и литический цикл

Вирусы, которые убивают их зараженную клетку-хозяина, считаются вирулентными. ДНК в этих типах вирусов воспроизводится через литический цикл. В этом цикле бактериофаг прикрепляется к бактериальной клеточной стенке и вводит свою ДНК в организм хозяина. Вирусная ДНК реплицирует и направляет конструирование и сборку большего количества вирусной ДНК и других вирусных частей. После сборки вновь продуцируемые вирусы продолжают увеличиваться в количестве и разрушаются или лизируются клеткой-хозяином. Лизис приводит к разрушению хозяина. Весь цикл может быть завершен за 20 — 30 минут в зависимости от множества факторов, таких как температура. Размножение фагов происходит намного быстрее, чем обычное размножение бактерий, поэтому целые колонии бактерий могут быть уничтожены очень быстро. Литический цикл также распространен у вирусов животных.

Умеренные вирусы и лизогенный цикл

Умеренные вирусы — это те, которые размножаются, не убивая клетку-хозяина. Умеренные вирусы размножаются в лизогенном цикле и переходят в состояние покоя. В лизогенном цикле вирусная ДНК вставляется в бактериальную хромосому посредством генетической рекомбинации. После вставки вирусный геном известен как профаг. Когда бактерия-хозяин размножается, геном профага реплицируется и передается каждой бактериальной дочерней клетке. Клетка-хозяин, которая несет профаг, потенциально может лизировать, поэтому она называется лизогенной клеткой. В условиях стресса или других триггеров, профаг может переключаться с лизогенного цикла на литический цикл для быстрого размножения вирусных частиц. Это приводит к лизису бактериальной клетки. Вирусы, которые заражают животных, также могут размножаться посредством лизогенного цикла. Например, вирус герпеса сначала входит в литический цикл после заражения, а затем переключается на лизогенный цикл. Вирус проникает в латентный период и может находиться в тканях нервной системы в течение месяцев или лет, не становясь вирулентным. После запуска вирус входит в литический цикл и производит новые вирусы.

Псевдолизогенный цикл

Бактериофаги могут также проявлять жизненный цикл, который немного отличается от литического и лизогенного циклов. В псевдолизогенном цикле вирусная ДНК не реплицируется (как в литическом цикле) и не вставляется в бактериальный геном (как в лизогенном цикле). Этот цикл обычно происходит, когда не хватает питательных веществ для роста бактерий. Вирусный геном становится известным как препрофаг, который не реплицируется в бактериальной клетке. Как только уровень питательных веществ возвращается к достаточному состоянию, препрофаг может войти в литический или лизогенный цикл.

Источники:
Feiner, R., Argov, T., Rabinovich, L., Sigal, N., Borovok, I., Herskovits, A. (2015). A new perspective on lysogeny: prophages as active regulatory switches of bacteria. Nature Reviews Microbiology, 13(10), 641–650.