Профаг — это геном бактериофага (часто сокращенно «фаг») , который интегрирован в кольцевую бактериальную хромосому или существует в виде внехромосомной плазмиды внутри бактериальной клетки . [1] Интеграция профагов в бактериальный хозяин является характерным этапом лизогенного цикла умеренных фагов . Профаги остаются латентными в геноме в результате множественных делений клеток до тех пор, пока не активируются внешним фактором, например ультрафиолетовым светом, что приводит к образованию новых фаговых частиц, которые будут лизировать клетку и распространяться. Как вездесущие мобильные генетические элементы , профаги играют важную роль в генетике и эволюции бактерий, например, в приобретении факторов вирулентности .
При обнаружении повреждения клетки-хозяина ультрафиолетовым светом или некоторыми химическими веществами профаг вырезается из бактериальной хромосомы в процессе, называемом индукцией профага. После индукции репликация вируса начинается через литический цикл . В литическом цикле вирус управляет репродуктивным механизмом клетки. Клетка может наполняться новыми вирусами до тех пор, пока она не лизируется или не лопнет, или она может высвобождать новые вирусы по одному в процессе экзоцитоза. Период от заражения до лизиса называется латентным периодом. Вирус, следующий за литическим циклом, называется вирулентным вирусом. Профаги являются важными агентами горизонтального переноса генов и считаются частью мобилома . Гены передаются посредством трансдукции , когда геном профага несовершенно вырезается из хромосомы хозяина и интегрируется в нового хозяина (специализированная трансдукция) или когда фрагменты ДНК хозяина упаковываются в фаговые частицы и вводятся в нового хозяина (генерализованная трансдукция). [2] Все семейства бактериальных вирусов, которые имеют кольцевые (одноцепочечные или двухцепочечные) геномы ДНК или реплицируют свои геномы посредством репликации по катящемуся кругу (например, Caudovirales ), имеют умеренных членов. [3]
Зиготическая индукция происходит, когда бактериальная клетка, несущая ДНК бактериального вируса, переносит свою собственную ДНК вместе с вирусной ДНК (профагом) в новую клетку-хозяина. Это приводит к разрушению клетки-хозяина. [4] ДНК бактериальной клетки перед входом в клетку подавляется белком-репрессором , который кодируется профагом. После переноса ДНК бактериальной клетки в клетку-хозяина белок-репрессор больше не кодируется, и исходная ДНК бактериальной клетки затем включается в клетке-хозяине. Этот механизм в конечном итоге приведет к высвобождению вируса, поскольку клетка-хозяин расщепляется и вирусная ДНК может распространяться. [4] Это новое открытие дало ключевое понимание бактериальной конъюгации и способствовало созданию модели ранней репрессии регуляции генов, которая дала объяснение тому, как гены lac-оперона и λ- бактериофага отрицательно регулируются. [5]
Бактериофаг λ способен подвергаться типу рекомбинационной репарации, называемому реактивацией профага. [5] [6] Реактивация профага может происходить путем рекомбинации между поврежденной УФ-излучением хромосомой инфицирующего фага λ и гомологичным геномом фага , интегрированным в бактериальную ДНК и существующим в состоянии профага. Реактивация профага в случае фага λ, по-видимому, представляет собой точный рекомбинационный процесс репарации, опосредованный продуктами генов RecA + и red+. [ нужна цитата ]
Лизис клеток-хозяев во время индукции профагов может вызвать коллапс микробной популяции. [7] [8] С другой стороны, механизмы индукции, трансдукции и исключения суперинфекции придают хозяину множество полезных функций. Индукция профагов позволяет хозяевам конкурировать в микробной экологии, заражая и лизис чувствительных бактерий. [9] Фаги также позволяют хозяину захватывать и интегрировать гены устойчивости к антибиотикам из близлежащих клеток. [8] [9] [7] [10] Кроме того, фаги могут позволить хозяину приобретать гены вирулентности и патогенности. [8] [10] На модуляцию образования биопленок также влияет инфекция лизогенными фагами. [10] Исключение суперинфекции или защита от заражения несколькими фагами может быть обеспечена интеграцией профагов. [11] Кроме того, механизмы рекомбинации, опосредованные фагами, могут реконструировать хромосому хозяина и предоставить клеткам новые способы регулирования метаболизма и экспрессии генов, например, тех, которые участвуют в споруляции и компетентности. [10] [12]
Профаги могут многое рассказать исследователям об отношениях между бактерией и хозяином. [13] Имея данные о большем количестве непатогенных бактерий, исследователи смогут собрать доказательства того, способствуют ли профаги выживанию хозяина. Геномика профагов потенциально может привести к экологической адаптации взаимоотношений между бактериями. [13] Другой важной областью интересов является контроль экспрессии генов профагов, при этом многие гены лизогенной конверсии ( генная конверсия ) жестко регулируются. [14] Этот процесс способен превращать непатогенные бактерии в патогенные, которые теперь могут производить вредные токсины [14], например, при стафилококковых инфекциях . Поскольку конкретные механизмы профага еще не подробно описаны, это исследование может предоставить сообществу инструмент для будущих исследований. [13]
Экзотоксины, кодируемые профагами, вызывают патогенные последствия в сельском хозяйстве и аквакультуре . [15]