Автор: Крылов В.Н.Статей: 2Бактериофаги   Основные морфологические типы частиц бактериофагов: а - ДНК- содержащие фаги; б - РНК- содержащие фаги. БАКТЕРИОФАГИАвторы: В.Н. КрыловБАКТЕРИОФАГИ, фаги (от бактерии и греч. φ ά γος - пожиратель), вирусы бактерий. Открыты независимо англ. вирусологом Ф. Туортом (1915) и канад. бактериологом Ф. Д’Эррелем (1917). Являясь облигатными паразитами, Б. развиваются только в живых, активно метаболизирующих бактериях. Активная форма Б., т. н. вегетативный фаг, представляет собой его реплицирующийся и экспрессирующийся внутри клетки генетич. материал. Б. обнаружены во многих (но не во всех) исследовавшихся с этой целью видах бактерий. Как правило, каждый Б. развивается лишь в бактериях одного вида, хотя встречаются т. н. поливалентные Б., которые паразитируют в бактериях разных видов. Фаговая частица состоит из молекулы нуклеиновой кислоты (геном Б.), заключённой в капсид - белковую оболочку, которая сохраняет геном вне клетки. Б. разнообразны по форме. Некоторые из них имеют вид многогранников с диаметром капсида 20-30 нм (φ X174, F2, R17, MS2) или нитей длиной до 800 нм (fd, M13). Более сложно устроенные Б. (T-фаги, фаг лямбда и др.) имеют икосаэдрич. головку (диаметр ок. 100 нм) и отросток («хвост»), с помощью которого осуществляется контакт с клеткой. Б. классифицируют, исходя из морфологич. особенностей частиц (форма головки, наличие хвоста, его размер и способность к сокращению) и сходства геномов и контролируемых ими белковых продуктов. Геномы разных Б. включают от неск. генов у мелких Б. до неск. сотен генов у гигантских вирулентных Б. У большинства Б. геном представлен двухцепочечной ДНК. Описаны также Б. с одноцепочечной ДНК (M13, S13, φ X174) или РНК (MS2, Q β). Молекулы нуклеиновых кислот могут иметь разные размеры и находиться в линейной, фрагментированной или кольцевой форме. У некоторых Б. (напр., фаг лямбда) геном имеет линейную форму, но после попадания в клетку замыкается в кольцо. Б. прикрепляются к специфич. рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Проникновение фагового генома в клетку сопровождается отделением нуклеиновой кислоты от большей части капсидных белков, которые остаются снаружи. С этого момента до появления первой зрелой фаговой частицы происходит строго упорядоченная во времени эскпрессия разных генов Б. - ранних и поздних. Группа ранних генов транскрибируется ферментом РНК- полимеразой: либо бактериальной, либо кодируемой фагом (в последнем случае её молекулы вводятся вместе с геномом); они контролируют репликацию генома, модификацию бактериальной мембраны. Поздние гены, как правило, транскрибируются с вновь образующихся геномов. При их участии появляются белки капсида, участвующие в сборке вириона, упаковке генетич. материала и обеспечивающие разрушение бактерии в определённое время. Образование отд. Бактериофаг T4: а - схема строения вирусной частицы; б - размножение в клетке-хозяине (кишечная палочка). структурных элементов частиц Б. напоминает конвейерную сборку. На последнем этапе происходит упаковка генома в капсид. В зависимости от характера взаимодействия с клеткой Б. делят на три группы. Заражение клетки вирулентными Б. (напр., T-чётными фагами кишечной палочки) приводит к разрушению (лизису) бактерии и высвобождению фагового потомства. Для умеренных Б. (в т. ч. фаги лямбда, Mu1, P1 и P2 энтеробактерий) возможны два пути развития - литический (сходный с развитием вирулентных фагов) и лизогенный (см. Лизогения), завершающийся установлением в клетке профага - скрытой неинфекционной формы вируса. При этом геном Б. встраивается в бактериальную хромосому или находится в свободном состоянии, так же как плазмида. Бактерия, несущая профаг, называется лизогенной; она устойчива к повторному заражению этим Б. При определённых условиях (облучение, действие химич. реагентов) может произойти активация профага и развитие Б. продолжится по литич. пути. Б. третьей группы (в т. ч. fd и M13) имеют непрерывный цикл развития. Они постоянно размножаются в клетке, а жизнеспособное фаговое потомство удаляется из неё через особые поры в клеточной оболочке. Однако не всегда удаётся однозначно отнести природные Б. к той или иной группе: умеренные фаги могут образовывать вирулентные мутанты, а геномы истинно вирулентных фагов (или их фрагменты) могут встраиваться в хромосомы бактерий. Генетич. аппарат Б. подвержен изменениям, которые могут происходить в результате обмена отд. участками генома при совместном заражении одной и той же бактерии разными фагами, либо при участии мобильных генетических элементов. В геномах вирулентных Б. обнаружено множество генов, контролирующих синтез белков, сходных с белками самых разных организмов (в т. ч. патогенных бактерий, эукариот), а также разл. вирусов животных, что свидетельствует об участии Б. в миграциях генов в биосфере. Б. - важнейший фактор эволюции, приводящий к отбору фагоустойчивых вариантов бактерий, часто с изменёнными антигенными свойствами. Нередко в клетках обнаруживаются дефектные Б., которые возникают вследствие неправильного вырезания геномов умеренных Б. и/или при встраивании в хромосомы части генома Б. с участием мобильных генетич. элементов. Особое значение имеют Б., способные к трансдукции - переносу бактериальных генов в результате ошибочной упаковки в фаговую частицу фрагмента бактериальной ДНК (вместо или вместе с геномом Б.). Таким образом Б. обеспечивают быстрый обмен генами между разными штаммами (иногда видами) бактерий. Б. широко используются в качестве модельных генетич. объектов благодаря работам М. Дельбрюка, А.Д. Херши и др., начавших в 40-х гг. 20 в. свои генетич. исследования и показавших применимость к Б. осн. положений классич. генетики. С помощью Б. было окончательно доказано, что генетич. материалом служит не белок, а ДНК, создана система анализа тонкой структуры генов, разработаны модели молекулярных механизмов мутагенеза. Благодаря Б. был окончательно подтверждён полуконсервативный характер репликации ДНК, впервые описан механизм интеграции вирусного генома в хромосому клетки-хозяина. Выяснение механизма рестрикции и модификации у Б. привело к открытию ферментов рестриктаз, что легло в основу генетич. инженерии. Б. используются для генетич. исследований бактерий, в качестве векторов для клонирования генов. Они нашли применение в медицине при лечении послеожоговых или раневых инфекций - фаготерапии, а также для идентификации патогенных бактерий. Литература Лит.: Адамс М. Бактериофаги. М., 1961; Bacteriophages: biology and applications / Ed. E. Kutter, A. Sulakvelidse. Boca Raton, 2004. ЛизогенияЛИЗОГЕНИЯАвторы: В.Н. КрыловЛИЗОГЕНИЯ (от лиз... и греч. γίγνο µ αι - рождаться, происходить, возникать), способность бактериальной клетки, в которой находится профаг (геном умеренного фага в неактивном состоянии), лизироваться с образованием фаговых частиц. В случае большинства умеренных фагов профаг находится в интегрированном в бактериальную хромосому состоянии. У некоторых фагов профаг реплицируется в виде неинтегрированной плазмиды. При Л. профаг передаётся клетками из поколения в поколение. Но при определённых условиях может происходить индукция фага, которая завершается образованием зрелых фаговых частиц и лизисом клетки. Клетки, несущие профаг, называются лизогенными. Такие клетки обладают иммунитетом к суперинфекции, т. е. при повторном их заражении фагом, гомоиммунным профагу, этот фаг не может репродуцироваться ввиду наличия в клетке белка-репрессора, синтезируемого под контролем генов профага и препятствующего экспрессии фаговых генов. Л. широко распространена среди бактерий. Многие из них могут содержать одновременно неск. разл. профагов (полилизогения). Л. имеет важное значение в эволюции как бактерий, так и бактериофагов. Бактерии при Л. могут получать в составе профага ранее утраченные или новые гены; наличие профага может придавать клетке определённые селективные преимущества, в т. ч. патогенные и вирулентные свойства. С др. стороны, геном фага, сохраняясь долгое время в бактериальной клетке в условиях, неблагоприятных для вегетативного развития, получает возможность для длительной эволюции путём накопления мутаций, рекомбинации с др. генетич. элементами или захвата прилежащих бактериальных генов при специфич. трансдукции. Исследование механизма Л. способствовало развитию осн. концепций молекулярной генетики (в т. ч. связанных с механизмом регуляции транскрипции), выявлению сайт- специфич. систем рекомбинации и созданию модели интеграции генома вируса в хромосому клетки-хозяина, а позднее - конструированию векторов на основе бактериофагов в работах по генетич. инженерии. Индукция лизогенных бактерий часто используется в качестве удобного теста для выявления канцерогенных и мутагенных свойств разл. химич. соединений. Явление нестабильной Л. определяют как псевдолизогению. От Л. и псевдолизогении следует отличать состояние носительства, свойственное популяции бактерий, в которой поддерживается вегетативное развитие бактериофага, не сопровождающееся, однако, гибелью всей популяции. Явление Л. имеет важное пром. и мед. значение. Использование в пром-сти лизогенных бактерий-продуцентов может приводить к их лизису (при возникновении вирулентных мутантов фага) и, как следствие, к существенным экономич. потерям. Миграции умеренных бактериофагов между разными медицински значимыми штаммами и видами бактерий, которые сопровождаются переносом бактериальных генов, контролирующих вирулентность и патогенность бактерий (горизонтальный перенос), ведут к возникновению патогенных островков в геномах бактерий, что изменяет симптоматику, затрудняет диагностику и отягчает течение заболевания. Литература Лит.: Льюис Б. Гены. М., 1987; Сингер М., Берг П. Гены и геномы. М., 1998. Т. 1. |
 |