Лизогения: Цикл вирусной репродукции и его особенности

Введение

Процесс размножения вируса

Лизогения, или лизогенный цикл, – один из двух циклов вирусного размножения (второй – литический). Лизогения характеризуется интеграцией нуклеиновой кислоты бактериофага в геном бактерии-хозяина или образованием кольцевого репликона в цитоплазме бактерии. В этом состоянии бактерия продолжает жить и размножаться нормально, а бактериофаг находится в латентном состоянии в клетке-хозяине. Генетический материал бактериофага, называемый профагом, может передаваться дочерним клеткам при каждом последующем делении, а последующие события (например, ультрафиолетовое излучение или присутствие определенных химических веществ) могут вызвать его высвобождение, приводя к размножению новых фагов посредством литического цикла. Лизогенные циклы также могут происходить у эукариот, хотя механизм инкорпорации ДНК изучен не полностью. Например, вирусы ВИЧ могут либо литически инфицировать людей, либо находиться в латентном (лизогенном) состоянии как часть генома инфицированных клеток, сохраняя способность вернуться к лизису в дальнейшем. Остальная часть статьи посвящена лизогении у бактериальных хозяев. Различие между лизогенным и литическим циклами заключается в том, что в лизогенном цикле распространение вирусной ДНК происходит посредством обычного размножения прокариот, в то время как литический цикл более быстрый, поскольку приводит к быстрому образованию множества копий вируса и разрушению клетки. Ключевое отличие между литическим и лизогенным циклами состоит в том, что последний не вызывает немедленного лизиса клетки-хозяина. Фаги, размножающиеся исключительно литическим циклом, называются вирулентными, а фаги, использующие как литический, так и лизогенный циклы, – умеренными. Например, если присутствует несколько инфицирующих фагов (или высокое титрование), фаг, скорее всего, выберет лизогенный цикл. Это может быть полезно для снижения общего соотношения фагов к хозяевам и, следовательно, предотвращения гибели хозяев фагами, а также для повышения потенциала фага к выживанию, что является формой естественного отбора. Фаг может выйти из хромосомы и перейти в литический цикл при воздействии повреждающих ДНК агентов, таких как ультрафиолетовое излучение и химические вещества. Другие факторы, способные индуцировать высвобождение умеренных фагов, включают температуру, pH, осмотическое давление и низкую концентрацию питательных веществ. Однако фаги также могут спонтанно переходить в литический цикл. В 80–90% случаев однократного инфицирования фаги переходят в лизогенный цикл, а в остальных 10–20% – в литический.

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.

Доказательства лизогенеза

Иногда можно определить, в какой цикл входит фаг, оценивая морфологию бляшек в бактериальной культуре на чашке Петри. Поскольку фаги, переходящие в литический цикл, уничтожают клетки бактерий-хозяев, бляшки выглядят прозрачными (фото А). Бляшки также могут иметь галоподобное кольцо по краю, указывающее на то, что эти клетки не были полностью лизированы. В отличие от этого, фаги, инфицирующие и переходящие в лизогенный цикл, образуют мутные или непрозрачные бляшки, поскольку клетки, содержащие лизогенный фаг, не лизируются и могут продолжать расти (фото Б). Однако известны и исключения из этого правила: нетемперантные фаги могут формировать мутные бляшки, а мутанты умеренных фагов могут образовывать прозрачные бляшки из-за потери способности к образованию лизогена. Сравнение прозрачных и мутных бляшек, формируемых литическими и лизогенными фагами соответственно, представлено в Руководстве по обнаружению фагов. Методы обнаружения фагов, высвобождаемых из лизогенного цикла, включают электронную микроскопию, выделение ДНК или культивирование на чувствительных штаммах. В неактивной форме профаг передается при каждом делении клетки-хозяина. При активации профаги могут покинуть бактериальную хромосому и перейти в литический цикл, где происходит копирование ДНК, синтез белков, сборка фагов и лизис. Примером вируса, использующего лизогенный цикл в своих интересах, является вирус простого герпеса. После первоначального перехода в литический цикл и заражения человека он переходит в лизогенный цикл. Это позволяет ему достигать сенсорных нейронов нервной системы и оставаться незамеченным в течение длительного времени. В случае генитального герпеса латентность устанавливается в дорсальных ганглиях лумбосакрального корешка, нейронах спинномозговых нервов. Вирус герпеса затем может выйти из этого состояния покоя и снова войти в литический цикл, вызывая симптомы заболевания. Таким образом, хотя вирусы герпеса могут переходить как в литический, так и в лизогенный циклы, латентность позволяет вирусу выживать и избегать обнаружения иммунной системой благодаря низкой экспрессии вирусных генов. Лямбда-фаг является модельной системой для изучения лизогенеза. Интеграция профага (также известная как гомологичная рекомбинация), поддержание лизогенеза, индукция и контроль вырезания фагового генома при индукции подробно описаны в статье о лямбда-фаге. Для бактерий было бы невыгодно, если бы умеренный фаг избегал репрессии. С другой стороны, профаг может передавать гены, повышающие вирулентность хозяина и устойчивость к иммунной системе. Кроме того, репрессор, продуцируемый профагом и предотвращающий экспрессию генов профага, обеспечивает иммунитет бактериям-хозяевам от литической инфекции, вызванной родственными вирусами.

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.

Лизогенная конверсия

В некоторых взаимодействиях между лизогенными фагами и бактериями может произойти лизогенная конверсия, которую также называют фаговой конверсией. Это когда умеренный фаг индуцирует изменение фенотипа инфицированной бактерии, не являющееся частью обычного фагового цикла. Изменения часто затрагивают внешнюю мембрану клетки, делая её непроницаемой для других фагов или даже повышая патогенность бактерии для хозяина. Таким образом, умеренные бактериофаги также играют роль в распространении факторов вирулентности, таких как экзотоксины и экзоэнзимы, среди бактерий. Это изменение затем сохраняется в геноме инфицированной бактерии и копируется, передаваясь дочерним клеткам.

Выживаемость бактерий

Лизогенное преобразование способствует образованию биопленок у Bacillus anthracis. Штаммы B. anthracis, избавленные от всех фагов, оказались неспособны к формированию биопленок – поверхностных бактериальных сообществ, обеспечивающих бактериям лучший доступ к питательным веществам и устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды. Помимо образования биопленок у B. anthracis, лизогенное преобразование Bacillus subtilis, Bacillus thuringiensis и Bacillus cereus демонстрирует повышенную скорость или степень споруляции. Гены вирулентности, переносимые внутри профагов как отдельные автономные генетические элементы, известные как мороны, придают бактериям преимущество, которое косвенно выгодно вирусу за счет повышения выживаемости лизогенов. Vibrio cholerae – это нетоксичный штамм, который становится токсичным, продуцируя холерный токсин, при заражении фагом CTXφ. Shigella dysenteriae, вызывающая дизентерию, содержит токсины, относящиеся к двум основным группам – Stx1 и Stx2, гены которых рассматриваются как часть генома ламбоидных профагов. Streptococcus pyogenes продуцирует пирогенный экзотоксин, полученный в результате лизогенного преобразования, вызывающий лихорадку и ярко-красную сыпь, характерную для скарлатины. Определенные штаммы Clostridium botulinum, вызывающие ботулизм, экспрессируют ботулинический токсин из генов, перенесенных фагами.

Предотвращение лизогенной индукции

Предложены стратегии борьбы с некоторыми бактериальными инфекциями путем блокирования индукции профага (перехода от литического цикла к лизогенному) за счет устранения in vivo индукторов. Реактивные формы кислорода (АФК), такие как перекись водорода, являются сильными окислителями, способными распадаться на свободные радикалы и вызывать повреждение ДНК бактерий, что приводит к индукции профага. Один из потенциальных способов борьбы с индукцией профага – использование глутатиона, мощного антиоксиданта, способного нейтрализовать промежуточные свободные радикалы. Другой подход заключается в индуцировании сверхэкспрессии репрессора CI, поскольку индукция профага происходит только при недостаточно низкой концентрации репрессора CI.