Строение бактериофагов можно рассмотреть на примере колифага
Т4, электронная микрофотография которого была получена одной из
первых. Этот бактериофаг, как и все Т-четные колифаги, относится к
сложным вирусам, т. е. он состоит из икосаэдрической головки диамет-
ром 650 Å, длиной 950 Å и отростка, или хвоста (рис. 28). В капсиде
головки находится плотно упакованная двухцепочечная линейная ДНК и
фермент транскриптаза в неактивном состоянии. Отросток фага имеет
сложное строение. В нем различают полый стержень, покрытый сокра-
тимым чехлом, который заканчивается базальной пластинкой с шипами
и нитями. Все структуры отростка имеют белковую природу. В области
базальной пластинки находится фермент – бактериофаговый лизоцим,
способный разрушать муреин клеточной стенки бактерий. Здесь же име-
ется АТФаза, которая регенерирует энергию для сокращения чехла отро-
стка бактериофага.
Некоторые изученные бактериофаги имеют более простое строение.
В зависимости от формы зрелых фаговых частиц различают следующие
морфологические типы бактериофагов:
• состоящие из икосаэдрической головки и спирального хвоста с сок-
ратимым чехлом (Т-четные колифаги);
• состоящие из икосаэдрической головки и длинного гибкого несок-
ратимого отростка (колифаги Т1 и Т5);
• нитчатые бактериофаги (колифаг fd);
• состоящие из икосаэдрической головки с коротким несократимым
отростком (колифаги Т3 и Т7, фаг Р22 бактерий Salmonella typhimurium).
Большинство бактериофагов содержит двухцепочечную ДНК, но оха-
рактеризованы и бактериофаги с одноцепочечной ДНК (колифаг М13) и
с одноцепочечной РНК (колифаги fr, Qβ, R17).
В зависимости от особенностей размножения в чувствительной клет-
ке бактериофаги подразделяются на две группы: вирулентные и умерен-
ные. Вирулентные фаги всегда лизируют зараженные ими бактерии и
имеют только один путь развития – литический цикл. Умеренные фаги
могут вести себя двояко: после проникновения в клетку нуклеиновая ки-
слота фага либо вовлекается в литический цикл, либо вступает с клеткой-
хозяином в своего рода симбиотические отношения, т. е. встраивается в
хромосому бактериальной клетки и превращается в профаг, передаваясь
всему потомству данной клетки (лизогенный путь). Бактерии, которые
содержат профаг, называются лизогенными.
Рассмотрим взаимодействие вирулентных фагов с чувствительной
клеткой хозяином на примере колифага Т4.
При смешивании взвеси фаговых частиц с суспензией бактерий фаго-
вые частицы в результате случайных столкновений с клетками бактерий
прикрепляются к последним (адсорбируются). Адсорбция происходит на
рецепторах, имеющихся в наружной мембране бактерий E. coli. За ад-
сорбцией следует стадия инъекции, или введения ДНК, в клетку. Бакте-
риофаговый лизоцим разрушает клеточную стенку бактерий и с затрата-
ми энергии, регенерируемой АТФазой, происходит сокращение чехла
бактериофага. При этом прокалывается цитоплазматическая мембрана,
полый стержень входит в бактериальную клетку и ДНК фага впрыскива-
ется в нее.
Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма
клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. ДНК
бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного
фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную
клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние
иРНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезиру-
ются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и
хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки
бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полукон-
сервативному механизму и осуществляется с участием собственных
ДНК-полимераз.
Сначала образуются капсиды, наполненные внут-
ри белками. После растворения этих внутренних белков готовые головки
заполняются ДНК в определенном количестве, зависящем от типа фага, и
закрываются. На завершающей стадии происходит присоединение ком-
понентов отростка и образуются зрелые фаговые частицы, которые после
лизиса клетки-хозяина под действием лизоцима бактериофага высвобож-
даются. Оказавшись во внешней среде, они могут адсорбироваться на
чувствительных клетках и повторять весь процесс инфекции. Литиче-
ский цикл фага Т4 длится обычно 25 мин.
Развитие умеренных фагов (лизогения) подробно охарактеризовано
для колифага λ. Это сложный фаг, содержащий линейную двухцепочеч-
ную ДНК. На 5′-конце каждой ее цепи имеется одноцепочечная последо-
вательность из 12 нуклеотидов – так называемые липкие концы (cos-
сайты). Сразу же после проникновения фаговой ДНК в бактериальную
клетку липкие концы ДНК ковалентно соединяются ДНК-лигазой клет-
ки-хозяина и образуется кольцевая молекула.
Далее, как правило, эта кольцевая молекула бактериофаговой ДНК не
приступает к транскрипции, а встраивается в бактериальную хромосому.
Установлено, что гены фага λ кодируют синтез четырех регуляторных
белков, один из которых репрессорный белок сI (кодируется геном сI)
блокирует развитие событий литического цикла, а антирепрессорный бе-
лок Cro (кодируется геном сro), наоборот, запускает их. После поступле-
ния ДНК фага λ в клетку выбор между литическим и лизогенным путем
развития зависит от относительной скорости накопления регуляторных
белков: если преобладает антирепрессорная функция белка Cro, то раз-
виваются события литического цикла, если успевает проявиться функция
репрессорного белка сI, литический цикл не осуществляется, так как бе-
лок сІ связывается с ДНК фага λ в особых участках, препятствуя
транскрипции фаговых генов.
Встраивание ДНК фага λ в бактериальную хромосому осуществляет-
ся согласно интегративной модели А. Кемпбелла. Этот процесс назы-
вается сайт-специфической рекомбинацией, так как встраивание ДНК
фага λ осуществляется в одном и том же месте (сайте) между генами gal
и bio и не зависит от recA-системы бактериальной клетки.
За интеграцию ДНК фага λ ответствен фермент – лямбда-интеграза.
Этот фермент узнает две разные последовательности: одну в хромосом-
ной ДНК (attλ), а другую – в ДНК фага (b2), с последующим разрывом
молекул ДНК и их перекрестным воссоединением.
Завершением процесса является то, что ДНК фага λ реплицируется с
клеточной ДНК как единая структура, и все дочерние клетки при деле-
нии получают копию фаговой ДНК в составе хромосомы. Подобные
клетки называются лизогенными, а ДНК фага λ в них – профагом.
Состояние лизогении, поддерживаемое благодаря постоянному обра-
зованию белка-репрессора сІ, довольно неустойчиво: в любой момент
может произойти переключение на литический путь из-за проявления
антирепрессорных функций белка Cro. Показано, что в популяции лизо-
генных бактерий в одной из 102–105 клеток происходит спонтанная ин-
дукция профага и запускается литический цикл и такие клетки подвер-
гаются лизису. Эффективность данного процесса зависит как от состоя-
ния бактерии-хозяина, так и от действия разнообразных физических и
химических факторов. Индукторами перехода лизогения ↔ литический
цикл являются ультрафиолетовое излучение, митомицин С, алкилирую-
щие агенты, для некоторых фагов также и изменение температуры.
Явление индукции профага очень важно учитывать при составлении
многокомпонентных заквасок для получения молочнокислых продуктов.
Если среди штаммов, входящих в такие закваски, окажутся лизогенные и
нелизогенные, но чувствительные к фагу, обусловившему лизогению
бактерий, то произойдет явление фаголизиса (т. е. гибели клеток), очень
опасное для молочной промышленности. Следует отметить, что фаголи-
зис может быть обусловлен и вирулентными фагами, попадающими в
технологические потоки при плохой организации производства. Явление
фаголизиса также может наблюдаться и в процессе микробного синтеза
аминокислот, что значительно снижает рентабельность этих отраслей
биотехнологии.
Суммируя вышеизложенное, можно констатировать, что умеренные
бактериофаги могут находиться в трех состояниях: в свободном состоя-
нии в виде частиц – вирионов; в состоянии профага; в вегетативном
(активном) состоянии, когда бактериофаг способен вызывать лизис
бактериальной клетки.
Кроме того, что наличие профага является потенциально летальным
для лизогенной бактерии фактором, делает ее иммунной к заражению
гомологичным фагом, он может сообщать клетке-хозяину и другие приз-
наки. Преобретение новых признаков, обусловленных профагом, называ-
ется фаговой или лизогенной конверсией. Лизогенная конверсия может
затрагивать такие важнейшие свойства бактерий как морфология их
колоний, биохимические признаки, способность синтезировать токсины
или антибиотики, устойчивость к лекарственным препаратам и др. Это
явление хорошо изучено у некоторых болезнетворных бактерий.
Например, показано, что способность дифтерийной палочки (Corуnebacterium
diphtheriae) синтезировать сильнейший дифтерийный токсин
детерминируется геном tox+, а активность этого гена в свою очередь за-
висит от присутствия в бактериальной клетке в состоянии профага спе-
цифического фага β. Известно, что бактерии Clostridium botulinum – воз-
будители ботулизма, синтезируют смертельный токсин только при лизо-
генизации их специфическими бактериофагами.
|