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.
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.