Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2018.

---

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

«С вашим коварством какое наше сравнится»

Вирусы бактерий, или бактериофаги , делят на две категории — вирулентные фаги и умеренные. Главное их различие состоит в этапах жизненных циклов. Сущность феномена лизогенизации бактерий, или превращения их в лизогены, заключается в сохранении фага внутри бактериальной клетки в форме профага — для клетки до поры до времени непатогенного, однако потенциально способного привести к ее гибели. Такой образ «жизни» характерен для умеренных фагов [1], [2]. Называть неинфекционное состояние фага профагом предложили в 1950 году сотрудники Института Пастера Андре Львов и Антуанетт Гутман. Они провели опыты с отдельными клетками штамма Bacillus megaterium в камере с микроманипуляторами и показали, что даже если при делении бактерий свободного фага в среде нет, дочерние клетки всё равно могут его продуцировать [3].

Получить общее представление об этих созданиях — их облике, происхождении и интересных способностях — позволяет статья «Пожиратели бактерий: убийцы в роли спасителей» [4]. — Ред.

Обобщенная схема вариантов развития событий в жизненных циклах бактериофагов представлена на рисунке 1. После заражения клеток вирулентные фаги вступают в продуктивный (литический) цикл с образованием фаговых частиц и последующим лизисом клеток. Умеренные же фаги в ходе лизогенного цикла встраивают свой геном в бактериальную хромосому и остаются в неактивном состоянии до воздействия каких-либо внешних факторов [5]. Схема, изображенная на рисунке, репрезентативна для большинства известных умеренных фагов (Inovirus, Epsilon15-, phiC31-, Stx-, P4-, P22-, SfV-, P2- и Mu-подобных) [6], в том числе и для одного из немногих модельных объектов молекулярной биологии — фага λ. Этот значимый для истории биологии бактериофаг был открыт Эстер Ледерберг в 1951 году при работе со штаммом Escherichia coli K-12 [7], [8]. Современное представление об интеграции генома фага λ в бактериальную хромосому подразумевает att-сайт-специфическую рекомбинацию кольцевой ДНК фага и бактериальной хромосомы с участием продукта гена int — интегразы. Этот процесс проиллюстрирован в разделе, посвященном трансдукции.

Однако, как и следует ожидать от Природы, такая форма пребывания умеренного фага в инфицированной клетке не может быть единственно возможной.

«Характер — нордический, выдержанный. С товарищами по работе поддерживает хорошие отношения»

Бактерия Klebsiella oxytoca — оппортунистический патоген человека и животных, способный вызывать бронхопневмонию, воспаление мочевых путей, септицемию и колит [9], [10]. В 1980-е годы в Швеции из смазочно-охлаждающей жидкости для металлообработки выделили необычный штамм K. oxytoca, CCUG 15788, устойчивый к высокому содержанию Ni²⁺ в среде [11], [12]. Тщательный электрофоретический и рестрикционный анализ геномной ДНК выявил в клетках CCUG 15788 две крупные плазмиды, правда, за устойчивость к никелю отвечали не они, а хромосома. Плазмида размером 160 т.п.н. оказалась стандартной, кольцевой, а вот меньшая, размером около 50 т.п.н., — линейной, что очень не типично для γ-протеобактерий [12]. Именно линейная плазмида, названная pKO2, через годы преподнесла исследователям сюрприз.

О сущности электрофореза и других способов разделения и очистки молекул наглядно рассказано в статье «12 методов в картинках: очистка молекул и разделение смесей» [13]. — Ред.

«Ясность — это одна из форм полного тумана»

Свет на сущность этого генетического элемента, pKO2, удалось пролить лишь к 2004 году. Полногеномное секвенирование выявило, что 51 601-п.н. pKO2 представляет собой ни что иное, как профаг (заглавный рисунок) [1]. Так к «KO2» добавилось любимое первооткрывателями и порицаемое номенклатурными комитетами «фи». Анализ 64 предсказанных генов φKO2 выявил его родство с бактериофагом-плазмидой N15. Высокая степень идентичности, в частности, была показана для генов сегрегации (необходимы для разделения плазмидных копий между дочерними клетками при делении бактерии), протеломеразы (прокариотической теломеразы — фермента, превращающего кольцевую фаговую ДНК в линейного профага с концами-шпильками), репликазы и репрессора профага. В то же время гены головки, хвостового отростка и лизиса у φKO2 и N15 не были гомологичны (рис. 2). Зато в геноме φKO2 нашли предполагаемые гомологи бактериальных генов dinI и umuD, вовлеченных в SOS-ответ (реакцию клетки на генотоксический стресс) [1].

Охарактеризованный ранее фаг N15 представляет пока немногочисленную группу бактериофагов, профаги которых способны существовать в виде плазмид . N15 — первый исследованный пример линейной ДНК с ковалентно замкнутыми концами (теломерами) у прокариот [14]. Семья теломерных фагов-плазмид сейчас включает лямбдоидные N15, pY54 и φKO2 (Siphoviridae), а также фаги ΦHAP-1, VHML, VP882, Vp58.5 и vB_VpaM_MAR морских γ-протеобактерий (Myoviridae). У всех них очень схожи гены протеломераз и репликативного аппарата, а также модулей контроля лизогении [15].

Профаг-плазмида может находиться в клетке в нескольких формах (рис. 3). После внедрения в бактерию фаговая ДНК замыкается путем «склеивания» коротких комплементарных концов (cos). Однако для реализации лизогенного цикла фаг должен стать линейной плазмидой. Для этого фаговая протеломераза «открывает» его кольцевую ДНК, но уже в совершенно другом месте, сайте telRL (сайт формирования теломер). А именно — в его центральной палиндромной области 5′-CCATTATACGC|GCGTATAATGG-3′, которая оказалась абсолютно идентичной у N15 и φKO2 [1], [14]. Та же самая протеломераза сшивает в петлю две нити ДНК на каждом из образовавшихся концов профага.

Об увлекательной мешанине в мире прокариотических генетических элементов рассказывает обзор «Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов» [16]. — Ред.

«Штирлиц играл, что называется, ва-банк»

Внедрение бактериофага, умеренного или вирулентного, в бактериальную клетку связано с риском для вируса и требует молекулярной продуманности и подготовки для успешного выполнения лизогенной или продуктивной программ. Для каждой стадии жизненного цикла вируса у бактерии есть специальные антифаговые барьеры и капканы (рис. 4а).

• Чтобы предотвратить прикрепление фага к клетке, бактерия может модифицировать соответствующий рецептор, снизить его доступность за счет фазового переключения его экспрессии, выстроить физические барьеры — капсулы и другие внеклеточные полимеры.
• На следующем этапе инфицирования может сработать механизм блокады инъекции фаговой ДНК, в котором участвуют мембранные белки других фагов — тех, что обосновались в этом бактериальном клоне раньше и не желают ни с кем делить хозяина.
• Внутри клетки чужеродную ДНК ждет система рестрикции-модификации, которая представлена эндонуклеазой рестрикции, расщепляющей чужеродную ДНК, и метилтрансферазой, защищающей собственную ДНК метилированием.
• Самая альтруистичная линия защиты называется системой абортивной инфекции. Ее механизмы разнообразны, но преследуют одну единственную цель — ценой собственной, то есть хозяйской, гибели или бактериостаза не допустить образования и выхода зрелых фаговых частиц. Часто такие системы кодируются профагами или плазмидами.
• Еще один способ противодействия фагам — интерференция на этапе сборки частиц: фаговая инвазия может активировать PICI (хромосомные острова, индуцируемые фагами), которые с помощью разных ухищрений упаковываются в фаговый капсид вместо родной ДНК фага. Правда, при выходе таких частиц, как и в предыдущем случае, хозяйская клетка гибнет. А фаг-неудачник становится невольным помощником в распространении по бактериальной популяции PICI, часто кодирующих факторы вирулентности бактерий [17].
• Система CRISPR-Cas обеспечивает адаптивный иммунитет к специфическим последовательностям нуклеотидов [18]. Основными компонентами этой системы являются особые хромосомные локусы CRISPR и белки Cas. CRISPR содержат уникальные последовательности (спейсеры), позаимствованные у чужеродного генетического материала — фагов и плазмид. Считанная с CRISPR РНК служит гидом, направляющим «молекулярные ножницы» Cas к новым вторженцам, содержащим зафиксированные в CRISPR последовательности и, следовательно, подлежащим разрушению (рис. 4б) [19].

«Он спал глубоко и спокойно, но ровно через 20 минут он проснется. Это тоже одна из привычек, выработанная годами»

Но преодолеть перечисленные барьеры — это еще не всё. Для успешной реализации лизогенного сценария умеренный бактериофаг должен обладать механизмом торможения литического цикла развития. Ключевую роль в переключении программы жизненного цикла бактериофага играют закодированные в геноме фага антагонистические репрессоры. Так, у φKO2 и N15 есть область иммунитета immB, содержащая гены репрессора профага CB, литического репрессора Cro и антитерминатора Q, подобные генам cI, cro и q модельного фага λ (рис. 5). Однако количество операторов, с которыми связываются репрессоры CB (CI) и Cro, у λ и теломерных φKO2/N15 неодинаково — шесть и пять соответственно [20], [21].

Для фага λ показано, что лизогенный сценарий реализуется благодаря транскрипции гена cI, продукт которого подавляет синтез антагонистического (мешающего лизогенизации) репрессора Cro. Если же белка CI становится слишком много, он подавляет и транскрипцию собственного гена. Однако недавно охарактеризовали роль еще одного белка фага λ, вовлеченного в контроль его жизненного цикла, — CII. Стабильность CII, а следовательно, его концентрация в клетке определяет, какой из репрессоров будет синтезироваться. Cодержание же CII в клетке зависит от внешних факторов, в том числе от активности бактериальных протеаз, способных его деградировать [22]. Лизогенный цикл λ протекает в бактериальной хромосоме, теломерные же фаги ведут плазмидный образ «жизни», и поэтому многие их гены должны в той или иной мере работать и в лизогенном состоянии(например, гены репликации и системы сегрегации плазмид). А это предполагает более сложную регуляцию транскрипции у бактериофагов-плазмид [15].

«Контрразведчик должен знать всегда, как никто другой, что верить в наше время нельзя никому, порой даже самому себе. Мне — можно»

Роль умеренных, а иногда и вирулентных, фагов в микромире не ограничивается уничтожением с той или иной эффективностью своих хозяев. Бактериофаги — агенты горизонтального переноса генов и, соответственно, мощная движущая сила эволюции прокариот. А значит, в биографиях отдельных людей и человечества в целом они тоже оставляют заметные следы.

Находясь в клетках бактерий, умеренные фаги могут придавать своим хозяевам новые свойства — осуществлять лизогенную конверсию. Например, изменять морфологию колоний, ферментативную активность, бактериальные антигены, чувствительность к антибиотикам и другим веществам, а также к гомологичным фагам [3], [23–24]. Первой системой, на которой продемонстрировали лизогенную конверсию, была бактерия Corynebacterium diphtheriae. Ее штамм именно после инфицирования умеренным фагом β стал токсигенным [3]. В таблице приведены некоторые примеры фаговых генов, ответственных за патогенность бактерий.

Помимо собственных генов фаги способны переносить в инфицируемые клетки и генетический материал предыдущего хозяина (фрагменты его хромосомы или мобильных генетических элементов). Этот процесс называется трансдукцией. Тех бактерий, чью ДНК фаг переносит, называют донорами, а тех, что этот материал принимают, — реципиентами. С помощью неспецифичной, или общей, трансдукции может передаваться любой признак: это происходит при случайном захвате в вирусную частицу фрагмента генома бактерии. При специфичной трансдукции фаговые частицы переносят из генома бактерии строго определенные маркеры. На это способны, как правило, только умеренные фаги — те, что встраиваются в бактериальный геном в строго определенных местах [2]. Классический пример специфичной трансдукции фагом λ бактериальных локусов gal и bio (или их частей) представлен на рисунке 6. В результате такой трансдукции возможно приобретение бактерией-реципиентом способности к утилизации галактозы и/или синтезу биотина, если, конечно, ранее она была лишена этих свойств [25].

«Сегодня [...] мир еще не завоеван, и поэтому полковник Максим Максимович Исаев едет в Берлин. Он едет работать»

Умеренные фаги образуют устойчивые ассоциации с бактериями-хозяевами. Для образования лизогенной бактерией фаговых частиц необходимо воздействие особых факторов, часто очень сильное. Известно, что в популяции лизогенных бактериальных штаммов всегда есть некоторое количество вирусных частиц. Это объясняется спонтанным высвобождением бактериофагов.

Фаговая индукция — переключение лизогенного цикла профага на литический, продуктивный — может быть обусловлена случайностями в экспрессии генов (генетический шум) или включением SOS-ответа, например, при повреждении ДНК УФ-облучением или активными формами кислорода (АФК). Объясняется это просто: во время SOS-ответа выводится из строя репрессор, поддерживающий профаг в неактивном состоянии, и запускается экспрессия литических генов.

Обобщенная схема активации продукции фаговых частиц представлена на рисунке 7а [26]. Повысить вероятность их выхода из клеток можно направленным воздействием физических, химических и биологических факторов.

• Из физических факторов индуцирующее действие показано для УФ-излучения, видимого света после предварительной сенсибилизации бактериальной культуры красителем, ионизирующего излучения, высокой температуры, высокого гидростатического давления, ультразвука и высушивания.
• Из химических — для глутатиона, серной, сероводородной и азотистой кислот, сульфатиазола, иприта, галогензамещенных аналогов урацила.
• Из биологических — для некоторых антибиотиков, ферментов, бактериоцинов и др. [3].

На рисунке 7б представлен еще один, необычный, вариант индукции профагов, связанный со снятием репрессии фаговых генов при попадании фага в цитоплазму новой, свободной от профага и, следовательно, репрессоров, клетки. Такая индукция называется зиготной и наблюдается при скрещивании лизогенной клетки-донора (Hfr) с нелизогенным реципиентом (F⁻) [27].

И всё же повторим, что устойчивый союз умеренного фага с бактерией разрушается лишь в экстремальных условиях: вирус, как правило, вынужденно покидает «тонущий корабль» — хозяина, получившего угрожающие жизни травмы. Ну а если всё не так плохо — фаг готов и далее выполнять свою тайную миссию…

В качестве заключения

Мир простых на первый взгляд бактериальных вирусов по мере углубления его изучения оказывается всё более многоликим. Одних из них можно брать в союзники на антимикробные сражения, другие внезапно проявляют себя лизисом полезных для человека культур. И того хуже: заручившись поддержкой прокариотического хозяина, кто-то из них провоцирует вспышку опасной инфекции у эукариот. Ну а кто-то прекрасно справляется с переносом между бактериями метаболических генов или даже целых путей.

Умеренные бактериофаги сыграли важную роль в становлении понятий молекулярной биологии. Благодаря исследованиям фага λ получены представления о сайт-специфической и общей рекомбинации, положительной и отрицательной регуляции генов, репликации ДНК. И даже относительно недавно описанные теломерные бактериофаги уже нашли применение в биотехнологии: линейные плазмидные векторы в ряде случаев показали преимущество над суперскрученными кольцевыми плазмидами, способными к образованию крестообразных структур и реорганизации. К тому же на их основе можно создавать низкокопийные векторы, пригодные для экспрессии генов токсичных продуктов.

Несмотря на то, что умеренные фаги говорят лаконично на языке последовательности нуклеотидов и обладают сдержанными потребностями, в их коллективную историю несомненно еще будут вписаны интересные открытия и практические изобретения.

Литература

1. S. R. Casjens, E. B. Gilcrease, W. M. Huang, K. L. Bunny, M. L. Pedulla, et. al.. (2004). The pKO2 Linear Plasmid Prophage of Klebsiella oxytoca. Journal of Bacteriology. 186, 1818-1832;
2. Адамс М. Бактериофаги. М.: «Иностр. лит.», 1961. — 527 с.;
3. Габрилович И.М. Лизогения. Минск: «Беларусь», 1970. — 88 с.;
4. Пожиратели бактерий: убийцы в роли спасителей;
5. Ron Feiner, Tal Argov, Lev Rabinovich, Nadejda Sigal, Ilya Borovok, Anat A. Herskovits. (2015). A new perspective on lysogeny: prophages as active regulatory switches of bacteria. Nat Rev Micro. 13, 641-650;
6. Louis-Marie Bobay, Eduardo P.C. Rocha, Marie Touchon. (2013). The Adaptation of Temperate Bacteriophages to Their Host Genomes. Molecular Biology and Evolution. 30, 737-751;
7. Sherwood R. Casjens, Roger W. Hendrix. (2015). Bacteriophage lambda: Early pioneer and still relevant. Virology. 479-480, 310-330;
8. Allan Campbell. (2007). Phage Integration and Chromosome Structure. A Personal History. Annu. Rev. Genet.. 41, 1-11;
9. Alison Darby, Kvin Lertpiriyapong, Ujjal Sarkar, Uthpala Seneviratne, Danny S. Park, et. al.. (2014). Cytotoxic and Pathogenic Properties of Klebsiella oxytoca Isolated from Laboratory Animals. PLoS ONE. 9, e100542;
10. Lavan Singh, M.P. Cariappa, Mandeep Kaur. (2016). Klebsiella oxytoca: An emerging pathogen?. Medical Journal Armed Forces India. 72, S59-S61;
11. Mattsby-Baltzer I., Sandin M., Ahlström B., Allenmark S., Edebo M., Falsen E. et al. (1989). Microbial growth and accumulation in industrial metal-working fluids. Appl. Environ. Microbiol. 55 (10), 2681–2689;
12. Ralf-Dietmar Stoppel, Maria Meyer, HansG�nter Schlegel. (1995). The nickel resistance determinant cloned from the enterobacterium Klebsiella oxytoca: conjugational transfer, expression, regulation and DNA homologies to various nickel-resistant bacteria. Biometals. 8;
13. 12 методов в картинках: очистка молекул и разделение смесей;
14. Nikolai V. Ravin. (2011). N15: The linear phage–plasmid. Plasmid. 65, 102-109;
15. Nikolai V. Ravin. (2015). Replication and Maintenance of Linear Phage-Plasmid N15. Microbiology Spectrum. 3;
16. Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов;
17. Kimberley D. Seed. (2015). Battling Phages: How Bacteria Defend against Viral Attack. PLoS Pathog. 11, e1004847;
18. Просто о сложном: CRISPR/Cas;
19. Devashish Rath, Lina Amlinger, Archana Rath, Magnus Lundgren. (2015). The CRISPR-Cas immune system: Biology, mechanisms and applications. Biochimie. 117, 119-128;
20. Jens Hammerl, Claudia Jäckel, Erich Lanka, Nicole Roschanski, Stefan Hertwig. (2016). Binding Specificities of the Telomere Phage ϕKO2 Prophage Repressor CB and Lytic Repressor Cro. Viruses. 8, 213;
21. Jens A. Hammerl, Claudia Jäckel, Eugenia Funk, Sabrina Pinnau, Christin Mache, Stefan Hertwig. (2016). The diverse genetic switch of enterobacterial and marine telomere phages. Bacteriophage. 6, 1-10;
22. Jiri Vohradsky. (2017). Lambda phage genetic switch as a system with critical behaviour. Journal of Theoretical Biology. 431, 32-38;
23. Cristina Howard-Varona, Katherine R Hargreaves, Stephen T Abedon, Matthew B Sullivan. (2017). Lysogeny in nature: mechanisms, impact and ecology of temperate phages. ISME J. 11, 1511-1520;
24. Emily V. Davies, Craig Winstanley, Joanne L. Fothergill, Chloe E. James. (2016). The role of temperate bacteriophages in bacterial infection. FEMS Microbiology Letters. 363, fnw015;
25. Landy A. and Ross W. (1977). Viral integration and excision: structure of the lambda att sites: DNA sequences have been determined for regions involved in lambda site-specific recombination. Science. 197 (4309), 1147–1160;
26. Arun M. Nanda, Kai Thormann, Julia Frunzke. (2015). Impact of Spontaneous Prophage Induction on the Fitness of Bacterial Populations and Host-Microbe Interactions. J. Bacteriol.. 197, 410-419;
27. Griffiths A.J.F., Gelbart W.M., Miller J.H. et al. Modern genetic analysis. NY: W. H. Freeman, 1999.