Кіріспе

Бактериофаг түрлері

Эшерихия вирусы T4 – Эшерихия коли бактерияларын жұқтыратын бактериофагтардың бір түрі. Ол Myoviridae тұқымдасының Tevenvirinae кіші тұқымдасына жататын қос спиральді ДНК вирусы. T4 тек литикалық тіршілік циклін ғана жүзеге асыра алады, лизогендік тіршілік циклін емес. Бұл түр бұрын "T тіпті" бактериофагы деп аталатын, және бұл атауға басқа штаммдардың (немесе изоляттардың) ішінде энтеробактерия фагы T2, энтеробактерия фагы T4 және энтеробактерия фагы T6 да кіретін.

Ғылыми зерттеулердегі қолдану

1940 жылдардан бері қазіргі күнге дейін Т-фагтар ең жақсы зерттелген модельдік организмдер саналады. Модельдік организмдер әдетте бес генге дейін қарапайым болуы тиіс. Дегенмен, Т-фагтар іс жүзінде ең ірі және күрделі вирустардың қатарына жатады, олардың генетикалық ақпараты шамамен 300 геннен тұрады. Осы күрделілігіне байланысты, Т-фагтарында нуклеин қышқылының базасы цитозиннің орнына сирек кездесетін гидроксиметилцитозин (ГМК) базасы табылды.

Геном және құрылымы

T4 вирусының екі тізбекті ДНК геномның ұзындығы шамамен 169 кбж-ға жетеді және 289 белокты кодтайды. T4 геномінің екі ұшында қайталану бар. ДНК көбейген кезде, геномнан ұзақ, көп геномдық конкатемерлер пайда болады, бұл репликацияның дөңгелек шеңбер механизмі арқылы болуы мүмкін. Орамдамаланған кезде конкатемер бірдей ұзындықтағы белгісіз жерлерде кесіледі, нәтижесінде бастапқы геномның дөңгелек ауысуларын көрсететін бірнеше геномдар түзіледі. T4 геномда эукариоттарға тән интрон тізбектері кездеседі.

Аударма

Shine Dalgarno GAGG тізбегі T4 вирусының ерте гендерінде басым, ал GGAG тізбегі ерте мРНҚ ыдырауын бастайтын T4 эндонуклеазасы RegB-нің нысанасы болып табылады.

Вирус бөлшектерінің құрылысы

T4 – шамамен 90 нм ені және 200 нм ұзындығы бар салыстырмалы түрде үлкен вирус (көптеген вирустардың ұзындығы 25-ден 200 нм-ге дейін ауытқиды). ДНК геномы икосаэдрлік бас ішінде орналасқан, ол капсид деп те аталады. T4-тің құйрығы қуыс, сондықтан ол жасушаға жабысқаннан кейін нуклеин қышқылын жұқтырған жасушаға өткізе алады. T4 сияқты миовирустар фагтарының құйрық құрамына және функциясына қатысатын көптеген ақуыздары бар күрделі созылатын құйрық құрылымдарына ие. Құйрық талшықтары да қожайын жасушасының беткі рецепторларын тануда маңызды рөл атқарады, осылайша бактерияның вирусқа қожайын бола алатынын анықтайды. 13 түрлі ақуыздың 127 полипептидтік тізбектерін қамтитын (ген өнімдері 5, 5.4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 25, 27, 48 және 53) 6 мегадальтондық T4 негіз тақтасының құрылымы жақында атомдық деңгейде сипатталды. gp54 және негізгі түтік ақуызы gp19 құрайтын құйрық түтігінің проксималды аймағының атомдық моделі де жасалды. Таспа өлшегіш ақуызы gp29 негіздік табақтың құйрық түтігі кешендерінде кездеседі, бірақ оны модельдеу мүмкін болмады. Бактериофагтың (фагтың) T4 вирионы құрастырылған кезде фаг гендерімен кодталған морфогендік ақуыздар ерекше реттілікпен бір-бірімен өзара әрекеттеседі. Вирустық инфекция кезінде өндірілетін осы ақуыздардың мөлшерінің дұрыс тепе-теңдігін сақтау қалыпты T4 фагының морфогенезі үшін өте маңызды болып көрінеді. Фаг T4 кодтайтын және вирион құрылымын анықтайтын ақуыздарға негізгі құрылымдық компоненттер, екіншілік құрылымдық компоненттер және морфогенез тізбегіндегі белгілі бір қадамдарды катализдейтін құрылымдық емес ақуыздар кіреді. Фаг T4 морфогенезі үш тәуелсіз жолға бөлінеді: бас, құйрық және ұзақ құйрық талшықтары, Яп пен Россманның егжей-тегжейлі сипаттамасы бойынша.

Инфекция процесі

T4 вирусы Escherichia coli инфекциясын OmpC порин ақуыздары мен липополисахаридтерді (LPS) E. coli жасушаларының бетіне ұзын құйрық талшықтары (LTF) арқылы байланыстыру арқылы бастайды. LTF арқылы тану сигналы базалық тақтаға жіберіледі. Бұл E. coli жасушасының бетінде қайта бұрылмайтын байланыс құратын қысқа құйрық талшықтарын (STF) ашып шығарады. Базалық тақта пішінін өзгертеді және құйрық қабығы жиырылады, нәтижесінде құйрық түтігінің ұшындағы GP5 жасушаның сыртқы мембранасын тесіп өтеді. GP5-тің лизозим домені белсендіріліп, периплазмалық пептидогликан қабатын ыдыратады. Мембрананың қалған бөлігі де ыдырайды, содан кейін вирус бас бөлігінен ДНК құйрық түтігі арқылы өтіп, E. coli жасушасына еніп кіре алады. 1952 жылы Херши мен Чейз фаг ДНК-сы, ақуыздан өзгеше, инфекция кезінде бактериялық жасушаға енетінін және осылайша фагтың генетикалық материалы екенін көрсететін маңызды дәлелдер келтірді. Бұл жаңалық ДНК әртүрлі организмдердің генетикалық материалы екенін ұсынды.

Адсорбция және ену

Барлық басқа вирустар сияқты, Т-жұп фагтар да қожайынның бетіне кездейсоқ жабыспайды; оның орнына олар қожайынның бетінде орналасқан рецепторларға, нақты белок құрылымдарына "іздеу" және байланысу арқылы жабысады. Бұл рецепторлар фагқа қарай өзгереді; тейхоин қышқылы, жасуша қабырғасының ақуыздары және липополисахаридтер, флагеллумдар мен пилилер фагтың байланысуы үшін рецепторлар ретінде қызмет ете алады. Т-жұп фагтың қожайынды жұқтыруы және өмірлік циклын бастауы үшін, ол инфекцияның бірінші процесіне, фагтың бактериялық жасушаға адсорбциялануына кіруі керек. Адсорбция – фаг-қожайын жұбына тән шама, ал фагтың жасуша бетіне адсорбциялануы екі сатылы процесс ретінде көрсетіледі: қайтымды және қайтымсыз. Бұл фагтың құйрық құрылымын қамтиды, фагтың құйрық талшықтары фагты қожайынның тиісті рецепторына байланыстыруға көмектеседі. Бұл процесс қайтымды. Негізгі пластинканың бір немесе бірнеше компоненттері фагтың бактерияға қайтымсыз байланысу процесін қамтамасыз етеді. Енгізу – фагтардың генетикалық материалының бактерияның ішіне енгізілуін қамтитын фагтық қожайын инфекциясының ерекшелігі. Нуклеин қышқылының енуі қайтымсыз адсорбция фазасынан кейін жүзеге асады. Фагтардың нуклеин қышқылының енуіне қатысты механизмдер әр фаг үшін ерекшеленеді. Бұл ену механизмі электрохимиялық мембраналық потенциалды, АТФ молекулаларын, пептидогликан қабатының ферменттік бөлінуін, немесе осы факторлардың барлығын қамтуы мүмкін. T2 бактериофагының (T4 сияқты фаг) ену механизмі зерттелді және нәтижесінде фагтың құйрығы бактериялық жасуша қабырғасының ішіне енбейді, ал осы фагтың енуі ішкі мембранадағы электрохимиялық мембраналық потенциалды қамтиды.

Көбейту және таңбалау

Вирус T4 геномы қонақ клетка ішінде дөңгелек репликация арқылы синтезделеді. 37 °C температурада ДНК-ның экспоненциалды өсу кезеңінде жылдамдық секундына 749 нуклеотидті құрады. Вирус T4 ДНҚ синтезі кезінде бір базалық жұпқа репликация бойынша мутация жылдамдығы 1.7 x 10−8-ге тең, бұл өте дәл ДНҚ көшіру механизмі, тек 300 көшірмеден 1 қателік кездеседі. Вирус сонымен қатар ерекше ДНҚ жөндеу механизмдерін кодтайды. T4 фагтың қабықшасы іргетасты белоктың айналасында бос жиналады, ол кейін ыдырайды. Осының салдарынан ДНК проқабықшаға кішкентай тесік арқылы енуі керек, бұл gp17 гексамерінің ДНҚ-мен бірінші кездесуі арқылы жүзеге асырылады, ол сонымен қатар мотор және нуклеаза ретінде де қызмет етеді. T4 ДНҚ қаптау моторының вирус капсидтеріне секундына 2000 базалық жұпқа дейін жылдамдықпен ДНҚ-ны жүктеуі анықталды. Егер мөлшері ұлғайтылса, бұл қуат орташа автомобиль қозғалтқышының қуатына тең болар еді.

Шығару

Вирустың көбеюі мен санының артуының соңғы қадамы – вириондардың қабылдаушы жасушадан шығуымен анықталады. Вириондардың шығуы бактериялық плазмалық мембрананың бұзылуынан кейін жүзеге асады. Қаптамасы жоқ вирустар қабылдаушы жасушаны лизге түсіреді, бұл вирустық ақуыздардың пептидогликанға немесе мембранаға шабуыл жасауымен сипатталады. Бактериялардың лизисі жасуша ішіндегі капсидтер жасуша қабырғасын ыдырататын лизозим ферментін бөліп шығарғанда болады. Шығарылған бактериофагтар басқа жасушаларды жұқтырады және вирус көбею циклі сол жасушалардың ішінде қайталанады.

Көптік қайта жандандыру

Көптік реактивация (МР) – әрқайсысында геномды зақымдауды инактивациялайтын екі немесе одан көп вирустың геномдары, инфекцияланған жасуша ішінде өзара әрекеттесіп, жұмысқа қабілетті вирустың геномын құрайтын процесс. Сальвадор Лурия 1946 жылы УФ-сәулеленген T4 вирусын зерттеген кезде МР-ны ашты және зақымдалған вирустың байқалатын реактивациясы рекомбинация механизмі арқылы жүреді деп болжады. (көрсетілген әдебиеттерге қараңыз) Бұл 1952 жылы Герши-Чейз эксперименті арқылы Т2 вирусына қатысты ДНК-ның генетикалық материал ретінде расталғанға дейін болды. (97-бет) Сәулеленген вирустың қайта белсендірілуінің (ол "көптік реактивация" деп аталады) табылуы бірден ерте фаг тобындағы сәулелену зақымдарын жөндеуді зерттеудегі қызметтің қарқынын күшейтті (Бернштейн және этил метансульфонаты (EMS) қараңыз). Біріншісі ДНК-ны жоғары тиімділікпен ("иықта") жөндеуге қабілетті, бірақ зақымдану күшейген сайын қабілеті шектеседі; екінші жол зақымданудың барлық деңгейлерінде жұмыс істейді. Мультикомплекстерден шыққан Т4 вирусының тірі қалғандары мутацияның жоғарылауын көрсетпейді, бұл УФ-сәулеленген вирустың МР-сы дәл процесс екенін көрсетеді. Ол үш өлшемді құрылымдық гомологиясы Escherichia coli-дегі RecA және эукариоттардағы RAD51, ал археялардағы RadA белгілі бір белокты анықтайды. МР кезінде ДНК зақымдарын тиімді және дәл рекомбинациялық жолмен жөндеу процесі эукариоттардағы мейоз кезінде жүретін рекомбинациялық жөндеу процесіне ұқсас болуы мүмкін деген пікір айтылды.

Тарих

Бактериофагтарды алғаш рет 1915 жылы ағылшын ғалымы Фредерик Творт, ал 1917 жылы Феликс д’Эрель ашқан. 1930 жылдардың соңында Т. Л. Ракитен екі зерттеуші Милислав Демерек пен Уго Фаноға шикі канализация немесе шикі канализациямен зарарланған E. coli лизатының қоспасын ұсынды. Бұл екі зерттеуші E. coli бактериясынан T3, T4, T5 және T6 бөліп алды. Сондай-ақ, 1932 жылы зерттеуші Ж. Бронфенбренер T2 фагын зерттеді, осылайша T2 фагы вирустан оқшауланды. Бұл оқшаулау канализациядан емес, фекальдық материалдан жасалған. Қалай болғанда да, Макс Дельбрюк T-тізбекті фагтарды ашуға қатысты. Оның үлесі бактериофагтарды 1-ші типке (T1), 2-ші типке (T2), 3-ші типке (T3) және т.б. деп атау болды. T4 вирусының нақты уақыты мен орны белгісіз, бірақ олар ағынды судан немесе фекальдық материалдан табылған болуы мүмкін. T4 және ұқсас вирустар Томас Ф. Андерсон, Макс Дельбрюк және Милислав Демеректің 1944 жылдың қараша айында жариялаған мақаласында сипатталған. 1943 жылы Сальвадор Лурия мен Дельбрюк фагтарға төзімділік тудыратын бактериялық мутациялар таңдау болмаған кезде пайда болатынын, ал таңдауға жауап ретінде емес, көрсетті. (Осы үш ғалым 1969 жылы «вирустардың көбею механизмі және генетикасы жөніндегі еңбектері үшін» Физиология және Медицина саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті.) Фаг тобы – негізінен T4 бактериофагын зерттеген және 20 ғасырдың ортасында микробтық генетика мен молекулалық биологияның қалыптасуына маңызды үлес қосқан Макс Дельбрюк басқарылған биологтардың бейресми желісі болды. 1961 жылы фаг тобының ерте мүшесі Сидней Бреннер Фрэнсис Крик, Лесли Барнетт және Ричард Уотс Тобинмен Кембридждегі Кавендиш зертханасында ақуыздар үшін генетикалық кодтың негізгі сипатын көрсеткен генетикалық эксперименттер жүргізді. T4 фагының rIIB генінің мутанттарымен жүргізілген бұл тәжірибелер ақуызды кодтайтын ген үшін геннің ДНК-сының үш тізбекті негізі ақуыздың әрбір аминқышқылын анықтайтынын көрсетті. Осылайша генетикалық код – үштік код, онда әр үштік (кодон деп аталады) белгілі бір аминқышқылын анықтайды. Сондай-ақ, олар кодондар ДНК тізбегінде ақуызды кодтайтын жерде бірін-бірі жаппай баспайтынын және мұндай тізбек белгілі бір бастапқы нүктеден оқылатынын дәлелдеді. 1962-1964 жылдары T4 фагын зерттеушілер фагтың зертханалық жағдайда өсуі үшін қажетті барлық гендердің функцияларын зерттеуге мүмкіндік берді. Бұл зерттеулерге шартты өлімге әкелетін мутанттардың екі класын табуы ықпал етті. Мұндай мутанттардың бір класы «янтар мутанттары» деп аталады. Шартты өлімге әкелетін мутанттардың тағы бір класы температураға сезімтал мутанттар деп аталады. Мутанттардың осы екі класын зерттеу көптеген негізгі биологиялық мәселелерге түсінік берді. Осылайша ДНК репликациясы, жөндеу және рекомбинация механизміне қатысты белоктардың функциялары мен өзара әрекеттесуі, сондай-ақ вирустардың белок және нуклеин қышқылы компоненттерінен қалай құралатыны (молекулалық морфогенез) туралы түсінік пайда болды. Сонымен қатар, тізбекті тоқтату кодондарының рөлі анықталды. Бір зерттеуде T4 фагының негізгі бас ақуызын кодтайтын генде ақаулы янтарь мутанттары қолданылды. Бұл тәжірибе ақуыздың аминқышқылдар тізбегін анықтайтын геннің нуклеотидтік тізбегі туралы кең таралған, бірақ 1964 жылға дейін әлі дәлелденбеген «тізбек гипотезасына» мықты дәлел келтірді. Осылайша, бұл зерттеу геннің кодталған ақуызбен бірге сызықтық екендігін көрсетті. Нобель сыйлығының бірнеше иегерлері T4 немесе T4 сияқты вирустармен жұмыс істеді, соның ішінде Макс Дельбрюк, Сальвадор Лурия, Альфред Херши, Джеймс Д. Уотсон және Фрэнсис Крик. T4 вирусымен жұмыс істеген басқа да маңызды ғалымдар: Майкл Россманн, Сеймур Бензер, Брюс Альбертс, Жизела Мозиг, Ричард Ленски және Джеймс Булл.