Вирустың көбею процесі: Лизогения және литикалық циклдар

Кіріспе

Вирустың көбею процесі

Лизогения, немесе лизогендік цикл – вирус көбеюінің екі циклінің бірі (екіншісі – литикалық цикл). Лизогения бактериофагтың нуклеин қышқылының иесі бактерияның геномына интеграциялануымен немесе бактерия цитоплазмасында дөңгелек репликонның қалыптасуымен сипатталады. Осы жағдайда бактерия қалыпты өмір сүру және көбеюін жалғастырады, ал бактериофаг иесі жасушада жатақ күйде болады. Профаг деп аталатын бактериофагтың генетикалық материалы әрбір келесі жасушалық бөліну кезінде туыс жасушаларға берілуі мүмкін, ал кейінгі оқиғалар (мысалы, ультракөк сәуле немесе белгілі бір химиялық заттардың болуы) оны босатып, литикалық цикл арқылы жаңа фагтардың көбеюіне әкелуі мүмкін. Лизогендік циклдер эукариоттарда да кездеседі, бірақ ДНК-ның енгізілу әдісі толыққанды түсініксіз. Мысалы, АИТВ вирустары адамдарды литикалық жолмен жұқтыра алады немесе жұқтырған жасушалардың геномының бір бөлігі ретінде жатақ (лизогендік) күйде қалуы мүмкін, кейін лизиске оралу қабілетін сақтайды. Осы мақаланың қалған бөлігі бактериялық иесіндегі лизогения туралы. Лизогендік және литикалық циклдердің айырмашылығы – лизогендік циклдерде вирус ДНК-сының таралуы әдеттегі прокариоттық көбею арқылы жүреді, ал литикалық циклде вирус көшірмелерінің көп саны тез пайда болып, жасуша жойылады. Литтік цикл мен лизогендік циклдің басты айырмашылығы – соңғысы иесі жасушаны бірден лиздей алмайды. Тек литикалық цикл арқылы көбейетін фагтар вирулентті фагтар деп аталады, ал литикалық және лизогендік циклдерді пайдаланатын фагтар – қалыпты фагтар. Мысалы, егер бірнеше басқа жұқтырғыш фагтар болса (немесе жоғары көптік болса), фаг лизогендік циклды пайдалануы мүмкін. Бұл фагтар мен иесі арасындағы қатынасты азайтуға көмектеседі, осылайша фагтардың иесін өлтіруіне жол бермейді, сонымен қатар фагтың тірі қалу мүмкіндігін арттырады, бұл табиғи іріктеудің бір түрі. Фаг ДНК-ны зақымдайтын факторларға, мысалы, ультракөк сәуле және химиялық заттарға ұшыраса, хромосомадан шығып, литикалық циклге кіруі мүмкін. Фагтардың босатылуына ықпал ететін басқа факторларға температура, pH, осмостық қысым және қоректік заттардың төмен концентрациясы жатады. Дегенмен, фагтар литикалық циклге спонтанды түрде қайта кіруі мүмкін. Бір жасушалық инфекциялардың 80-90% -ында фагтар лизогендік циклге енеді. Қалған 10-20% -ында фагтар литикалық циклге енеді.

Lysogeny, or the lysogenic cycle, is one of two cycles of viral reproduction (the lytic cycle being the other). Lysogeny is characterized by integration of the bacteriophage nucleic acid into the host bacterium's genome or formation of a circular replicon in the bacterial cytoplasm. In this condition the bacterium continues to live and reproduce normally, while the bacteriophage lies in a dormant state in the host cell. The genetic material of the bacteriophage, called a prophage, can be transmitted to daughter cells at each subsequent cell division, and later events (such as UV radiation or the presence of certain chemicals) can release it, causing proliferation of new phages via the lytic cycle. Lysogenic cycles can also occur in eukaryotes, although the method of DNA incorporation is not fully understood. For instance, the HIV viruses can either infect humans lytically, or lay dormant (lysogenic) as part of the infected cells' genome, keeping the ability to return to lysis at a later time. The rest of this article is about lysogeny in bacterial hosts. The difference between lysogenic and lytic cycles is that, in lysogenic cycles, the spread of the viral DNA occurs through the usual prokaryotic reproduction, whereas a lytic cycle is more immediate in that it results in many copies of the virus being created very quickly and the cell is destroyed. One key difference between the lytic cycle and the lysogenic cycle is that the latter does not lyse the host cell straight away. Phages that replicate only via the lytic cycle are known as virulent phages while phages that replicate using both lytic and lysogenic cycles are known as temperate phages. For instance, if there are several other infecting phages (or if there is a high multiplicity), it is likely that the phage will use the lysogenic cycle. This may be useful in helping reduce the overall phage to host ratio and therefore preventing the phages from killing their hosts, also thereby increasing the phage's potential for survival, making this a form of natural selection. A phage may decide to exit the chromosome and enter the lytic cycle if it is exposed to DNA damaging agents, such as UV radiation and chemicals. Other factors with the potential to induce temperate phage release include temperature, pH, osmotic pressure, and low nutrient concentration. However, phages may also re enter the lytic cycle spontaneously. In 80 90% of single cell infections, phages enter the lysogenic cycle. In the other 10 20%, phages enter the lytic cycle.

Лизогенездің дәлелі

Кейде бактериялық пластиналардағы пластинка морфологиясын қарап, фагтың қай циклге енгенін анықтау мүмкін. Литтік циклге енген фагтар жас ұяшықтарды өлтіретіндіктен, пластинкалар түссіз болады (А суреті). Пластинка шетінде нұрлы шеңбердей көрінуі мүмкін, бұл жас ұяшықтардың толық лизденбегенін көрсетеді. Ал лизогендік циклге енген инфекциялық фагтар бұлтты немесе тұманды пластинкаларды жасайды, себебі лизогендік фагты қамтитын жас ұяшықтар лизденбей, өсуін жалғастыра береді (В суреті). Дегенмен, осы ереженің ерекшеліктері де бар, мысалы, қалыпты емес фагтар да бұлтты пластинкаларды көрсетуі мүмкін, ал қалыпты фаг мутанттары лизогендік қалыптастыру қабілетін жоғалту салдарынан түссіз пластинкаларды жасай алады. Литтік және лизогендік фагтардың түсетін түссіз және бұлтты пластинкаларын салыстыруды Фагтарды анықтау нұсқаулығынан қараңыз. Лизогендік циклден шыққан фагтарды анықтау әдістеріне электронды микроскопия, ДНК-ны бөліп алу немесе сезімтал штамдарда өсіру жатады. Профаг белсенді емес күйде, жас ұяшық бөлінген сайын беріледі. Егер профагтар белсенді болса, олар бактериялық хромосомадан шығып, литикалық циклге кіріп, ДНК көшіру, белок синтезі, фаг құрастыру және лизистен өтеді. Лизогендік циклды өте тиімді пайдаланатын вирусқа Герпес симплекс вирусы мысал болады. Алдымен литикалық циклге кіріп, адамға жұққаннан кейін, ол лизогендік циклге енеді. Бұл оған жүйке жүйесінің сезімдік нейрондарына жете алуға және ұзақ уақыт бойы анықталмай қалуға мүмкіндік береді. Жыныс мүшесіндегі герпес жағдайында, латенттілік lumbosacral dorsal root ganglia, омыртқалық жүйке нейрондарының ішінде орнатылады. Герпес вирусы содан кейін осы ұйықтасқан күйден шығып, литикалық циклге қайта кіріп, ауру белгілерін тудыруы мүмкін. Осылайша, герпес вирустары литикалық және лизогендік циклдерге де кіре алады, бірақ латенттілік вирустың тірі қалуына және иммундық жүйеден қашуына мүмкіндік береді, себебі вирус гендерінің экспрессиясы төмен болады. Лизогенезді зерттеу үшін үлгі ретінде лямбда фагы қолданылады. Профаг интеграциясы (гомологиялық рекомбинация деп те аталады), лизогенезді сақтау, индукция және индукция кезінде фаг геномның кесілуін бақылау лямбда фагы туралы мақалада егжей-тегжейлі сипатталған. Орташа фагтың репрессиядан босап шығуы бактерия үшін зиянды болар еді. Екінші жағынан, профаг иесінің вируленттілігін және иммундық жүйеге қарсы тұру қабілетін арттыратын гендерді беруі мүмкін. Сонымен қатар, профаг гендерінің экспрессиясын болдырмайтын профаг өндіретін репрессор, жас ұяшықтарға туысқан вирустардың литикалық инфекциясынан иммунитет береді.

It is sometimes possible to detect which cycle a phage enters by looking at the plaque morphology in bacterial plate culture. Since phages that enter the lytic cycle kill the host bacterial cells, plaques will appear clear (photo A). The plaques may also appear to have a halo like ring around the edge, indicating that these cells were not fully lysed. In contrast, infecting phages that enter the lysogenic cycle will produce cloudy or turbid plaques, as the cells containing the lysogenic phage are not lysed and can continue growing (photo B). However, exceptions to this rule are also known to exist, where non temperate phages still exhibit cloudy plaques, and temperate phage mutants can generate clear plaques as a result of loss of lysogen formation ability. See a comparison of clear and turbid plaques, formed by lytic and lysogenic phages, respectively, in the Phage Discovery Guide. Detection methods of phages released from the lysogenic cycle include electron microscopy, DNA extraction, or propagation on sensitive strains. In its inactive form, a prophage gets passed on each time the host cell divides. If prophages become active, they can exit the bacterial chromosome and enter the lytic cycle, where they undergo DNA copying, protein synthesis, phage assembly, and lysis.]] An example of a virus that uses the lysogenic cycle to its advantage is the Herpes Simplex Virus. After first entering the lytic cycle and infecting a human host, it enters the lysogenic cycle. This allows it to travel to the nervous system's sensory neurons and remain undetected for long periods of time. In the case of genital herpes, latency is established in lumbosacral dorsal root ganglia, spinal nerve neurons. The herpes virus can then exit this dormant stage and re enter the lytic cycle, causing disease symptoms. Thus, while herpes viruses can enter both the lytic and lysogenic cycles, latency allows the virus to survive and evade detection by the immune system due to low viral gene expression. The model organism for studying lysogeny is the lambda phage. Prophage integration (also known as homologous recombination), maintenance of lysogeny, induction, and control of phage genome excision in induction is described in detail in the lambda phage article. The temperate phage escaping repression would be a disadvantage for the bacteria. On the other hand, the prophage may transfer genes that enhance host virulence and resistance to the immune system. Also, the repressor produced by the prophage that prevents prophage genes from being expressed confers immunity for the host bacteria from lytic infection by related viruses.

Лизогендік түрлендіру

Лизогендік фагтар мен бактериялар арасындағы кейбір өзара әрекеттесулерде лизогендік конверсия немесе фагтық конверсия жүруі мүмкін. Бұл – орташа фагтың инфекцияланған бактерияның фенотипінде, қалыпты фаг циклының құрамына кірмейтін өзгерістерді тудыруы. Өзгерістер көбінесе клетканың сыртқы мембранасына қатысты болады, оны басқа фагтарға өткізбейді, тіпті бактерияның иесі үшін патогендік қабілетін арттыруы мүмкін. Осылайша, орташа температурадағы бактериофагтар бактериялар арасында экзотоксиндер және экзоэнзимдер сияқты вируленттілік факторларының таралуына да ықпал етеді. Бұл өзгеріс инфекцияланған бактерияның геномында сақталады және көшіріліп, ұрпақ жасушаларына беріледі.

Бактериялардың тіршілік етуі

Лизогендік түрлендіру Bacillus anthracis бактерияларында биофильм қалыптасуына мүмкіндік береді. Барлық фагтардан құтылған B. anthracis штаммдары биофильмдер құрай алмады, ал биофильмдер – бұл бактериялардың қоректік заттарға оңай қол жеткізуіне және қоршаған ортаның стресстік жағдайларын жеңуіне мүмкіндік беретін бетке жабысқан бактериялық қауымдастықтар. B. anthracis-те биофильм қалыптасуға қоса, Bacillus subtilis, Bacillus thuringiensis және Bacillus cereus бактерияларының лизогендік түрленуі спорация жылдамдығын немесе деңгейін арттырды. Профагтардың ішінде дербес, автономды генетикалық элементтер ретінде таралған вирулентті гендер, «морондар» деп белгілі, бактерияларға артықшылық береді, бұл вирусқа лизогеннің тіршілігін арттыру арқылы жанама түрде пайда әкеледі. Vibrio cholerae – уытты емес штамм, бірақ CTXφ фагымен жұқтырғанда уытты болып, холера токсинін өндіреді. Дизентерияны тудыратын Shigella dysenteriae бактериялары екі негізгі топқа бөлінетін Stx1 және Stx2 токсиндерін шығарады, олардың гендері ламбдоидтық профагтар геномының құрамына кіреді. Streptococcus pyogenes бактериялары лизогендік түрлендіру арқылы қызба мен қызыл дері бөртпесін (скарлатина) тудыратын пирогенді экзотоксин өндіреді. Clostridium botulinum бактерияларының кейбір штаммдары, ботулизмге себеп болатын, фаг арқылы берілген гендерден ботулиноксин экспрессиялайды.

Лизогендік индукцияның алдын алу

Кейбір бактериялық инфекцияларға қарсы күресу стратегиясы профаг индукциясын (литтік циклден лизогендік циклге өтуін) блоктау арқылы, тірі организмдегі индукциялық агенттерді жою арқылы ұсынылған. Реактивті оттегі түрлері (РОС), мысалы, сутек пероксиді, күшті тотықтырғыш заттар болып табылады, олар еркін радикалдарға ыдырайды және бактериялардың ДНК-сына зақым келтіріп, профаг индукциясын тудырады. Профаг индукциясына қарсы күресудің бір мүмкін стратегиясы – еркін радикалдардың аралық заттарын жоя алатын күшті антиоксидант – глютатионды қолдану. Басқа бір тәсіл – CI репрессордың шамадан тыс экспрессиясын тудыру болуы мүмкін, себебі профаг индукциясы тек CI репрессордың концентрациясы жеткіліксіз болғанда ғана жүзеге асады.