Лизогения , или лизогенный цикл , является одним из двух циклов вирусного размножения ( вторым является литический цикл ). Лизогения характеризуется интеграцией нуклеиновой кислоты бактериофага в геном бактерии- хозяина или образованием кольцевого репликона в цитоплазме бактерии . В этом состоянии бактерия продолжает жить и нормально размножаться, в то время как бактериофаг находится в состоянии покоя в клетке-хозяине. Генетический материал бактериофага, называемый профагом , может передаваться дочерним клеткам при каждом последующем делении клетки, а более поздние события (такие как УФ-излучение или присутствие определенных химических веществ) могут высвобождать его, вызывая пролиферацию новых фагов через литический цикл. [1]
Лизогенные циклы могут также происходить у эукариот , хотя метод включения ДНК не полностью изучен. Например, вирусы ВИЧ могут либо инфицировать людей литически, либо находиться в состоянии покоя (лизогенном) как часть генома инфицированных клеток, сохраняя способность вернуться к лизису в более позднее время. [2]
Разница между лизогенными и литическими циклами заключается в том, что в лизогенных циклах распространение вирусной ДНК происходит посредством обычного прокариотического размножения, тогда как литический цикл более непосредственен, поскольку он приводит к очень быстрому созданию множества копий вируса, а клетка разрушается. Одним из ключевых различий между литическим циклом и лизогенным циклом является то, что последний не лизирует клетку-хозяина сразу. [3] Фаги, которые реплицируются только через литический цикл, известны как вирулентные фаги, тогда как фаги, которые реплицируются с использованием как литического, так и лизогенного циклов, известны как умеренные фаги. [1]
В лизогенном цикле ДНК фага сначала интегрируется в бактериальную хромосому для получения профага. Когда бактерия размножается, профаг также копируется и присутствует в каждой из дочерних клеток. Дочерние клетки могут продолжать реплицироваться с присутствующим профагом, или профаг может выйти из бактериальной хромосомы, чтобы инициировать литический цикл. [1] В лизогенном цикле ДНК хозяина не гидролизуется, но в литическом цикле ДНК хозяина гидролизуется в литической фазе.
Бактериофаги — это вирусы, которые заражают и размножаются внутри бактерии. Умеренные фаги (например, фаг лямбда ) могут размножаться, используя как литический , так и лизогенный цикл. [4]
То, как фаг решает, в какой цикл войти, зависит от множества факторов. [5] Например, если есть несколько других инфицирующих фагов (или если есть высокая множественность), то, скорее всего, фаг будет использовать лизогенный цикл. Это может быть полезно для снижения общего соотношения фагов к хозяевам и, следовательно, предотвращения убийства фагами своих хозяев, а также тем самым увеличения потенциала фага к выживанию, что делает это формой естественного отбора. Фаг может решить выйти из хромосомы и войти в литический цикл, если он подвергается воздействию агентов, повреждающих ДНК, таких как УФ-излучение и химикаты. Другие факторы, которые могут вызвать умеренное высвобождение фагов, включают температуру, pH, осмотическое давление и низкую концентрацию питательных веществ. [6] Однако фаги также могут спонтанно повторно входить в литический цикл. В 80-90% случаев заражения отдельных клеток фаги входят в лизогенный цикл. В остальных 10–20% случаев фаги вступают в литический цикл. [ необходима цитата ]
Иногда можно определить, в какой цикл входит фаг, посмотрев на морфологию бляшек в бактериальной культуре. [7] Как правило, более чистые бляшки указывают на более эффективный лизис, в то время как мутные или бляшки указывают на менее эффективный лизис. Мутные бляшки могут указывать на то, что фаг может пройти через лизогенный цикл, однако есть и другие причины, по которым бляшки могут казаться мутными.
Методы обнаружения фагов, высвобождаемых из лизогенного цикла, включают электронную микроскопию, экстракцию ДНК или размножение на чувствительных штаммах. [6]
В лизогенном цикле геном бактериофага не экспрессируется, а вместо этого интегрируется в геном бактерии, образуя профаг . [8] В своей неактивной форме профаг передается каждый раз, когда клетка-хозяин делится. Если профаги становятся активными, они могут выйти из бактериальной хромосомы и войти в литический цикл, где они подвергаются копированию ДНК, синтезу белка, сборке фага и лизису. [5] Поскольку генетическая информация бактериофага включена в генетическую информацию бактерии как профаг, бактериофаг пассивно реплицируется, пока бактерия делится, образуя дочерние бактериальные клетки. [8] В этом сценарии дочерние бактериальные клетки содержат профаг и известны как лизогены . Лизогены могут оставаться в лизогенном цикле в течение многих поколений, но могут переключиться на литический цикл в любое время с помощью процесса, известного как индукция. [8] Во время индукции ДНК профага вырезается из бактериального генома, транскрибируется и транслируется для создания белков оболочки вируса и регулирования литического роста. [8]
Примером вируса, который использует лизогенный цикл в своих интересах, является вирус простого герпеса. [10] После первого входа в литический цикл и заражения человека-хозяина он входит в лизогенный цикл. Это позволяет ему перемещаться в сенсорные нейроны нервной системы и оставаться незамеченным в течение длительного времени. В случае генитального герпеса латентность устанавливается в пояснично-крестцовых ганглиях задних корешков, нейронах спинномозговых нервов. [11] Затем вирус герпеса может выйти из этой стадии покоя и повторно войти в литический цикл, вызывая симптомы заболевания. Таким образом, в то время как вирусы герпеса могут входить как в литический, так и в лизогенный циклы, латентность позволяет вирусу выживать и избегать обнаружения иммунной системой из-за низкой экспрессии вирусных генов.
Модельным организмом для изучения лизогении является фаг лямбда. Интеграция профага (также известная как гомологичная рекомбинация), поддержание лизогении, индукция и контроль вырезания генома фага при индукции подробно описаны в статье о фаге лямбда . [12]
Бактериофаги являются паразитами, поскольку они заражают своих хозяев, используют бактериальные механизмы для репликации и в конечном итоге лизируют бактерии. Умеренные фаги могут приводить как к преимуществам, так и к недостаткам для своих хозяев через лизогенный цикл. Во время лизогенного цикла геном вируса включается в качестве профага, а репрессор предотвращает репликацию вируса. Тем не менее, умеренный фаг может избежать репрессии, чтобы реплицироваться, производить вирусные частицы и лизировать бактерии. [13] Умеренный фаг, избегающий репрессии, будет недостатком для бактерий. С другой стороны, профаг может переносить гены, которые усиливают вирулентность хозяина и устойчивость к иммунной системе. Кроме того, репрессор, продуцируемый профагом, который предотвращает экспрессию генов профага, обеспечивает иммунитет бактериям-хозяевам от литической инфекции родственными вирусами. [13]
Другая система, Arbitrium , была недавно описана для бактериофагов, инфицирующих несколько видов Bacillus , в которой решение между лизисом и лизогенией передается между бактериями с помощью пептидного фактора. [14] [15]
В некоторых взаимодействиях между лизогенными фагами и бактериями может происходить лизогенная конверсия, которую также можно назвать фаговой конверсией. Это когда умеренный фаг вызывает изменение фенотипа инфицированных бактерий , которое не является частью обычного фагового цикла. Изменения часто могут затрагивать внешнюю мембрану клетки, делая ее непроницаемой для других фагов или даже увеличивая патогенную способность бактерий для хозяина. Таким образом, умеренные бактериофаги также играют роль в распространении факторов вирулентности , таких как экзотоксины и экзоферменты, среди бактерий. Затем это изменение остается в геноме инфицированных бактерий и копируется и передается дочерним клеткам.
Лизогенная конверсия показала, что обеспечивает образование биопленки у Bacillus anthracis . [16] Штаммы B. anthracis, излеченные от всех фагов, не способны образовывать биопленки, которые представляют собой прикрепленные к поверхности бактериальные сообщества, которые позволяют бактериям лучше получать доступ к питательным веществам и выживать в условиях стресса окружающей среды. [17] В дополнение к образованию биопленки у B. anthracis , лизогенная конверсия Bacillus subtilis , Bacillus thuringiensis и Bacillus cereus показала повышенную скорость или степень споруляции. [16] Споруляция производит эндоспоры , которые являются метаболически спящими формами бактерий, которые обладают высокой устойчивостью к температуре, ионизирующему излучению, высыханию, антибиотикам и дезинфицирующим средствам. [16]
Также было показано, что невирулентные бактерии трансформируются в высоковирулентные патогены посредством лизогенной конверсии с факторами вирулентности, переносимыми лизогенным профагом. [18] Гены вирулентности, переносимые в профагах как дискретные автономные генетические элементы, известные как идиоты , дают бактериям преимущество, которое косвенно приносит пользу вирусу за счет повышения выживаемости лизогена. [16]
Примеры:
Были предложены стратегии борьбы с некоторыми бактериальными инфекциями путем блокирования индукции профага (перехода от литического цикла к лизогенному циклу) путем устранения агентов индукции in vivo . [18] Активные формы кислорода (ROS), такие как перекись водорода, являются сильными окислителями, которые могут распадаться на свободные радикалы и вызывать повреждение ДНК бактерий, что приводит к индукции профага. [18] Одной из потенциальных стратегий борьбы с индукцией профага является использование глутатиона , сильного антиоксиданта , который может удалять промежуточные продукты свободных радикалов. [18] Другой подход может заключаться в том, чтобы вызвать сверхэкспрессию репрессора CI, поскольку индукция профага происходит только тогда, когда концентрация репрессора CI слишком низкая. [18]
