Бактериофаги.

Строение бактериофагов можно рассмотреть на примере колифага Т4. Относится к сложным вирусам, он состоит из икосаэдрической головки диаметром и отростка, или хвоста. 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 сократимым 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 имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для сокращения чехла отростка бактериофага.

В зависимости от формы зрелых фаговых частиц различают следующие морфологические типы бактериофагов: • из икосаэдрической головки и спирального хвоста с сократимым чехлом (Т-четные колифаги); • состоящие из икосаэдрической головки и длинного гибкого несократимого отростка (колифаги Т1 и Т5); • нитчатые бактериофаги (колифаг fd); • из икосаэдрической головки с коротким несократимым отростком (колифаги Т3 и Т7, фаг Р22 бактерий Salmonella typhimurium).

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 кислота фага либо вовлекается в литический цикл, либо вступает с клеткой-хозяином в своего рода симбиотические отношения, встраивается в хромосому бактериальной клетки и превращается в профаг, передаваясь всему потомству данной клетки (лизогенный путь).

Адсорбция происходит на рецепторах, имеющихся в наружной мембране бактерий E. coli. За адсорбцией следует стадия инъекции, или введения ДНК, в клетку. Бактериофаговый лизоцим разрушает клеточную стенку бактерий и с затратами энергии, регенерируемой АТФазой, происходит сокращение чехла бактериофага. При этом прокалывается цитоплазматическая мембрана, полый стержень входит в бактериальную клетку и ДНК фага впрыскивается 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 синтезируются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и

хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полуконсервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз.

После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс – созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц. Сначала образуются капсиды, наполненные внутри белками. После растворения этих внутренних белков готовые головки заполняются ДНК в определенном количестве, зависящем от типа фага, и закрываются. На завершающей стадии происходит присоединение компонентов отростка и образуются зрелые фаговые частицы, которые после лизиса клетки-хозяина под действием лизоцима бактериофага высвобождаются.

Развитие умеренных фагов (лизогения) подробно охарактеризовано

для колифага λ. Это сложный фаг, содержащий линейную двухцепочечную ДНК. На 5.-конце каждой ее цепи имеется одноцепочечная последовательность 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 клетки-хозяина и образуется кольцевая молекула.

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 белок Cro (кодируется геном сro), наоборот, запускает их. После поступления ДНК фага в клетку выбор между литическим и лизогенным путем развития зависит от относительной скорости накопления регуляторных белков.

Встраивание ДНК фага . в бактериальную хромосому осуществляется согласно интегративной модели А. Кемпбелла. Этот процесс называется 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 ответствен фермент – лямбда-интеграза.

Этот фермент узнает две разные последовательности: одну в хромосомной ДНК (attλ), а другую – в ДНК фага (b2), с последующим разрывом молекул ДНК и их перекрестным воссоединением.

Завершением процесса является то, что ДНК фага реплицируется с клеточной ДНК как единая структура, и все дочерние клетки при делении получают копию фаговой ДНК в составе хромосомы. Подобные клетки называются лизогенными, а ДНК фага λ в них – профагом.

Состояние лизогении, поддерживаемое благодаря постоянному образованию белка-репрессора сІ, довольно неустойчиво: в любой момент может произойти переключение на литический путь из-за проявления антирепрессорных функций белка Cro. Индукторами перехода лизогения - литический

цикл являются ультрафиолетовое излучение, митомицин С, алкилирующие агенты, для некоторых фагов также и изменение температуры.

Преобретение новых признаков, обусловленных профагом, называется фаговой или лизогенной конверсией.

Например, показано, что способность дифтерийной палочки (Corуnebacterium diphtheriae) синтезировать сильнейший дифтерийный токсин детерминируется геном tox+, а активность этого гена в свою очередь зависит от присутствия в бактериальной клетке в состоянии профага специфического фага . Известно, что бактерии Clostridium botulinum – возбудители ботулизма, синтезируют смертельный токсин только при лизогенизации их специфическими бактериофагами.