Бактериофаги и их свойства

Министерство науки и образования Украины Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара Факультет заочного и дистанционного образования Кафедра микробиологии и вирусологии Контрольная работа По дисциплине: «Генетика микроорганизмов»

НА ТЕМУ: «Вирулентные и лизогенные фаги. Способность к интеграции с хромосомой хозяина. Состояние лизогении»

Выполнила:

ст. гр. ББ-08−2з Проценко Д.В.

Проверил:

доц. Крысенко О.В.

Днепропетровск 2011

Содержание Введение

1.Вирулентные и лизогенные фаги

2.Способность к интеграции с хромосомой хозяина

3.Состояние лизогении Заключение Список литературы Введение Бактериофамги — вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Описанные выше бактериофаги, как правило, лизируют зараженные ими бактерии, и потому их называют вирулентными. Некоторые фаги, однако, заражают бактерий-хозяев, но не размножаются в них автономно и не вызывают лизиса. Такие фаги называются умеренными. Лизогенные бактерии обладают потенциальной способностью продуцировать фаги, но эту способность нельзя обнаружить, ни морфологическим, ни серологическим исследованием. Фаг в таком неинфекционном состоянии, передающийся только дочерним клеткам при делении, называют профагом. В лизогенных клетках профаг прочно связан с хромосомой клетки-хозяина.

Лизогения — генетически обусловленная способность бактерий лизироваться с выделением бактериофага через ряд поколений после непосредственного заражения им. Теория разработана в 1950 французскими учёными А. Львовым и А. Гутман, показавшими, что лизогенное состояние связано с присутствием в клетках бактерий потенциально инфекционной структуры — профага. В каждом поколении лизогенных бактерий подвергается лизису очень небольшая часть клеток с освобождением от 70 до 150 частиц так называемого умеренного фага. То есть лизогения — сложная форма вирусной инфекции у бактерий, при которой от момента заражения бактерий фагом до лизиса клетки проходит большое число клеточных поколений.

1. Вирулентные и лизогенные фаги Бактериофамги (фаги) (от др.-греч. ц? гщ — «пожираю») — вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Чаще всего бактериофаги размножаются внутри бактерий и вызывают их лизис. Как правило, бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала одноцепочечной или двуцепочечной нуклеиновой кислоты (ДНК или, реже, РНК). Размер частиц приблизительно от 20 до 200 нм.

Описанные выше бактериофаги, как правило, лизируют зараженные ими бактерии, и потому их называют вирулентными. Некоторые фаги, однако, заражают бактерий-хозяев, но не размножаются в них автономно и не вызывают лизиса. Такие фаги называются умеренными. Видимо, их размножение происходит синхронно с размножением бактерии. Лишь очень редко, в одной из 102−105 таких «лизогенных» бактерий, фаг начинает спонтанно размножаться и клетка подвергается лизису. В этом случае для того, чтобы обнаружить выход инфекционного фага, в качестве индикатора нужен другой бактериальный штамм, для которого этот фаг вирулентен. Если смешать лизогенные бактерии с избытком бактерий-индикаторов и посеять смесь на агаризованную среду, то будут расти также и колонии лизогенных бактерий. Время от времени некоторые клетки будут лизироваться и выходящие из них фаговые частицы, будут заражать находящиеся по соседству чувствительные (индикаторные) бактерии. Это приведет к появлению бляшек в сплошном бактериальном газоне. Однако в середине каждой такой бляшки сохранится колония лизогенной бактерии (рис. 4.12).

Лизогенные бактерии обладают потенциальной способностью продуцировать фаги, но эту способность нельзя обнаружить, ни морфологическим, ни серологическим исследованием. Фаг в таком неинфекционном состоянии, передающийся только дочерним клеткам при делении, называют профагом. Подобно другим признакам бактериальной клетки, наличие в ней профага наследуется. Поскольку все потомство лизогенной клетки тоже лизогенно, профаг, очевидно, должен реплицироваться синхронно и регулярно вместе с хромосомой клетки-хозяина (рис. 4.13).

Лизогенные бактерии иммунны к заражению теми фагами, которые присутствуют в них в виде профага. Обеспечиваемый профагами иммунитет обусловлен не невозможностью адсорбции (как при устойчивости к вирулентным фагам), а образованием особого цитоплазматического белка-репрессора, препятствующего размножению вегетативных фагов. Этот же репрессор препятствует обратному переходу профага в вегетативное состояние и подавляет синтез фаговых белков. Возникновение лизогенного состояния связано, таким образом, с образованием репрессорного белка[6].

Спонтанно, без воздействия извне лизогенные бактерии лизируются редко. Однако целый ряд факторов (ультрафиолетовые лучи, митомицин С или алкилирующие агенты) может индуцировать в каждой клетке развитие профага, ведущее к образованию и высвобождению инфекционного фага. Успех такой индукции зависит от генетической конституции профага, физиологического состояния хозяина и условий культивирования. Индукция связана, очевидно, с устранением или инактивацией имеющихся молекул репрессора. Некоторые мутанты умеренных фагов образуют термолабильный репрессор, и тогда достаточно уже повышения температуры до 44 °C, чтобы вызвать лизис бактерий.

2. Способность к интеграции с хромосомой хозяина лизогенная бактерия профаг хромосома конверсия Интеграция и индукция фага л (лямбда). Изучение фага лямбда (л), лизогенного для Escherichia coli K12, позволило выяснить, каким образом профаг связан с бактериальной хромосомой. Лизогенизация бактерий этим фагом может служить примером жизненного цикла умеренного бактериофага. Длина хромосомы фага лямбда оставляет всего 2% длины бактериальной хромосомы.

В свободных фаговых частицах ДНК присутствует в виде линейной (не кольцевой) двойной спирали (рис. 4.14). Каждая из цепей на одном конце выступает за пределы дуплекса на 12 нуклеотидов. Эти два одноцепочечных конца комплементарны друг другу; путем спаривания оснований они могут соединяться друг с другом, поэтому их называют «липкими» концами. Если поместить такие молекулы ДНК in vitro в раствор, то благодаря взаимодействию между комплементарными основаниями одноцепочечных концов наступает равновесие между линейными и кольцевыми ДНК. Такое же замыкание в кольцо происходит после того, как фаг лямбда инфицирует клетку. При этом оба разрыва между концами цепей закрываются полинуклеотидлигазой. Функция этого бактериального фермента состоит в том, чтобы устранять разрывы в отдельных цепях двойных спиралей ДНК путем связывания нуклеотидов. Таким образом, для замыкания линейной ДНК фага в кольцо никакие фаговые ферменты не нужны.

В лизогенных клетках профаг прочно связан с хромосомой клетки-хозяина. При конъюгации клеток профаг вместе с хромосомой хозяина переносится из клетки-донора в клетку-реципиент. Генетические эксперименты показывают, что фаг лямбда присоединен к хромосоме хозяина в совершенно определенном месте (между галактозным опероном и биотиновым локусом). Вначале предполагали, что ДНК бактериофага только прикрепляется к хромосоме бактерии в этом участке. Однако в результате составления генетических карт фага, а также из опытов по рекомбинации стало ясно, что фаговая ДНК при лизогенизации не просто прикрепляется к бактериальной ДНК, а включается в нее.

Включение (интеграция) ДНК профага в хромосому клетки-хозяина происходит, очевидно, в результате разрыва и перекрестного воссоединения. За эту реакцию ответствен фермент, названный лямбда-интегразой. Он узнает две разные, негомологичные последовательности нуклеотидов — одну в хромосомной ДНК и одну в ДНК фага — и тесно сближает обе двойные спирали друг с другом; затем последние разрываются и снова соединяются крест-накрест. Отдельные этапы этой специфической рекомбинации показаны на рис. 4.14.

В интегрированном состоянии фаговая ДНК реплицируется вместе с бактериальной и подвержена тем же регуляторным воздействиям, что и удвоение бактериальных хромосом. Информация, содержащаяся в фаговой ДНК, в это время не проявляется. Только в результате перехода профага в вегетативное состояние восстанавливается автономия фаговой ДНК и начинается размножение фага. Этот обратный процесс может произойти спонтанно или в результате индукции (например, под действием ультрафиолетового облучения). Исключение фаговой ДНК из бактериальной хромосомы происходит, вероятно, путем обращения процессов, приведших к ее включению, и осуществляется очень точно: более 99% фаговых частиц, освобождающихся из лизогенных клеток, идентичны с исходным (инфицирующим) фагом. Это означает, что фаговая ДНК при ее выключении выщепляется точно в том же месте, где происходила интеграция. Только в редких случаях (одном из 100 000) выключение ДНК фага происходит аномально.

Как только профаг в результате выключения перешел в вегетативное состояние, он опять становится автономным и может размножаться в бактериальной клетке как вирулентный фаг. Выключение, таким образом, приводит к лизису бактерии и высвобождению фага лямбда.

Двухцепочечная ДНК вируса может встроиться в хромосому клетки-хозяина с помощью фермента интегразы. Такой процесс встраивания в хромосомную ДНК называют интеграцией. Вирусный геном в форме интегрированной ДНК, синтезированной по проникшей в клетку вирусной РНК с помощью обратной транскриптазы, называется провирусом. Провирус становится частью генетического материала клетки, реплицируется вместе с клеточной ДНК и при делении передается дочерним клеткам. В скрытой (латентной) форме провирус может пребывать бесконечно долгое время, переходя от родителей к потомкам через сперматозоид или яйцеклетку. Способность вирусных геномов к интеграции с геномом клетки была предсказана замечательным исследователем-вирусологом Львом Александровичем Зильбером (1894−1966).

3. Состояние лизогении Лизогения (от греч. lэsis — разложение, распад и… geneia — происхождение, создание) генетически обусловленная способность бактерий лизироваться с выделением бактериофага через ряд поколений после непосредственного заражения им. Теория разработана в 1950 французскими учёными А. Львовым и А. Гутман, показавшими, что лизогенное состояние связано с присутствием в клетках бактерий потенциально инфекционной структуры — профага. Изменение свойств бактериальной клетки, связанное с присутствие профага, получило название феномена лизогенной конверсии или фаговой конверсии. Впервые феномен фаговой конверсии описал Фримен в 1951 г. при наблюдении токсигенности у дифтерийной палочки. Он показал, что продукция экзотоксина у дифтерийных бактерий связана с обязательным присутствием профага в клетке. В настоящее время для многих микроорганизмов доказано, что способность выделять экзотоксин детерминирована фагами, находящимися в клетке. Присутствие профага в бактерии, с одной стороны, губительно для нее, а с другой — делает ее иммунной к заражению гомологичным или близкородственным фагом. В каждом поколении лизогенных бактерий подвергается лизису очень небольшая часть клеток (Лизогения 1 клетка на миллион) с освобождением от 70 до 150 частиц так называемого умеренного фага. Частота перехода профага в инфекционное состояние (индукция профага) может быть увеличена рядом агентов (например, ультрафиолетовыми лучами). После заражения бактериальной клетки умеренным фагом процесс инфекции может развиваться по одному из двух направлений (см. рис.1): по пути литического цикла, который так же, как и при заражении бактерий вирулентными фагами, заканчивается лизисом клеток и выходом потомства фага в окружающую среду; по пути лизогенизации, когда в результате биосинтетических процессов в клетке вырабатывается иммунитет к инфицирующему фагу, фаговая ДНК включается в ДНК бактерии и в дальнейшем реплицируется вместе с ней как её составная часть (профаг), а бактерия выживает и становится лизогенной. Судьба клетки решается на первых этапах инфекции и зависит главным образом от времени формирования иммунитета. Если состояние иммунитета наступает раньше, чем развитие инфекции достигнет стадии, необратимо ведущей к лизису, то может осуществиться лизогенизация. В геноме бактерий могут содержаться одновременно профаги нескольких разных фагов. В этом случае клетка обладает иммунитетом в отношении всех этих фагов. В результате лизогенизации может произойти изменение некоторых свойств бактериальной клетки (Лизогенная конверсия), обусловленное приобретением бактерией новой генетической информации.

Рис .1. Лизогения Искусственно полученные лизогенные бактерии по своим свойствам не отличаются от лизогенных бактерий, найденных в естественных условиях. У небольшой части потомства лизогенной клетки происходит «исцеление» — потеря профага. Утратившие профаг клетки дают начало нелизогенным линиям. Частота этого процесса может быть увеличена, например, действием ультрафиолетовых лучей. То есть лизогения — сложная форма вирусной инфекции у бактерий, при которой от момента заражения бактерий фагом до лизиса клетки проходит большое число клеточных поколений.

Заключение

Итак, фаги могут быть вирулентными и умеренными. Вирулентные фаги проникают в микробную клетку, размножаются в ней и вызывают ее лизис. Умеренные фаги вступают в своеобразные симбиотические взаимоотношения с микробной клеткой: проникнув в клетку, они включают свой геномом в хромосому бактерий и реплицируются вместе с ней. Бактерии, несущие умеренный фаг, получили название лизогенных; фаг, присутствующий в них, называют профагом, а симбиоз бактериальной клетки с профагом — феноменом лизогении. Лизогения широко распространена и практически выявлена почти у всех видов бактерий. В связи с этим лизогению следует считать не исключительным, а нормальным состоянием микроорганизмов. Фаг (в состоянии профага) может в течение многих лет находится в бактериях, не теряя способности при определенных условиях превратиться в полноценную фаговую частицу. В эволюционном аспекте процесс лизогенизации можно расценивать как выгодный и фагу, и бактериальной клетке. Лизогенная культура приобретает ряд новых полезных для нее свойств: невосприимчивость к повторному заражению гомологичным вирулентным фагом, способность передавать фаг по наследству и продуцировать ряд веществ, синтез которых детерминируется профагом.

Изменение свойств бактериальной клетки, связанное с присутствие профага, получило название феномена лизогенной конверсии или фаговой конверсии. Впервые феномен фаговой конверсии описал Фримен в 1951 г. Из того, что мы узнали, очевидно, что присутствие профага в бактерии, с одной стороны, губительно для нее, а с другой — делает ее иммунной к заражению гомологичным или близкородственным фагом.

1. Кочемасова З. Н. Микробиология: Учеб. Пособие/З.Н. Кочемасова. — М.: Знание, 1988. — 356с.

2. Покровский В. Н. Бактериофаг — вирус бактерии/ В. Н. Покровский. — М.: Знание, 1986. — 64с. — (Медицина).

3. Смородинцев А. А. Беседы о вирусах/ А. А. Смородинцев. — М.: Просвещение, 1975. — 120с.

4. Шаров Г. Антибиотики, бактерии и фаги/ Г. Шаров// Наука и жизнь. — 2001. — № 9. — С. 98−100.

5.Захаров И. А. Курс генетики микроорганизмов / И. А. Захаров.- Минск: Высшая школа, 1978. 192 с.

6. Хейс У. Генетика бактерий и бактериофагов / У. Хейс. — М.: Наука, 1965. 254 с.

7. Адаме М. Бактериофаги. / Адаме М. Москва: изд-во иностранной литературы, 1961. 320 с.

8. Крюгер Д., Роитер М., Шредер К. Молекулярная биология взаимодействия вирус-клетка хозяина бактериофагов.

9. Баев А. А. Бактериофаги. — Пущино.: НЦБИ, 1982. — С. 3.

10. Габрилович И. М. Лизогения. Минск, 1970. — С. 120−147.