Профаг — это геном бактериофага (часто сокращенно «фаг») , который интегрирован в кольцевую бактериальную хромосому или существует как внехромосомная плазмида внутри бактериальной клетки . [1] Интеграция профагов в бактериального хозяина является характерным этапом лизогенного цикла умеренных фагов . Профаги остаются латентными в геноме в течение нескольких клеточных делений до активации внешним фактором, таким как УФ-свет, что приводит к образованию новых фаговых частиц, которые лизируют клетку и распространяются. 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 определенными химическими веществами профаг вырезается из бактериальной хромосомы в процессе, называемом индукцией профага. После индукции начинается репликация вируса через литический цикл . В литическом цикле вирус захватывает репродуктивный аппарат клетки. Клетка может заполняться новыми вирусами, пока не лизируется или не лопнет, или она может высвобождать новые вирусы по одному в экзоцитозном процессе. 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 переносятся посредством трансдукции , когда геном профага несовершенно вырезается из хромосомы хозяина и интегрируется в нового хозяина (специализированная трансдукция) или когда фрагменты ДНК хозяина упаковываются в частицы фага и вводятся в нового хозяина (генерализованная трансдукция). [2] Все семейства бактериальных вирусов, которые имеют кольцевые (одноцепочечные или двухцепочечные) ДНК-геномы или реплицируют свои геномы посредством репликации по типу катящегося кольца (например, Caudovirales ), имеют умеренных представителей. [3]
При инфекциях, вызванных бактериальным патогеном Clostridioides difficile , спонтанное высвобождение профага из бактериальной хромосомы является обычным явлением. [4] Присутствие дезоксихолевой кислоты в кишечной среде может способствовать индукции образования биопленки C. difficle , а также индукции высвобождения профага. [4]
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 тому, что клетка-хозяин распадается. [5] ДНК бактериальной клетки подавляется перед проникновением в клетку 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. [5] Это новое открытие дало ключевое понимание бактериальной конъюгации и внесло вклад в раннюю репрессивную модель регуляции генов, которая дала объяснение тому, как отрицательно регулируются гены lac-оперона и бактериофага λ . [6]
Бактериофаг λ способен подвергаться типу рекомбинационной репарации, называемой реактивацией профага. [6] [7] Реактивация профага может происходить путем рекомбинации между поврежденной УФ-излучением инфицирующей хромосомой фага λ и гомологичным геномом фага , интегрированным в бактериальную ДНК и существующим в состоянии профага. Реактивация профага в случае фага λ, по-видимому, является точным процессом рекомбинационной репарации, который опосредован продуктами генов recA + и red+. [ необходима цитата ]
Лизис клеток хозяина во время индукции профага может вызвать коллапс микробной популяции. [8] [9] С другой стороны, механизмы индукции, трансдукции и исключения суперинфекции предоставляют хозяину множество полезных функций. Индукция профагов позволяет хозяевам конкурировать в микробной экологии, инфицируя и лизируя восприимчивые бактерии. [10] Фаги также позволяют хозяину подбирать и интегрировать гены устойчивости к антибиотикам из близлежащих клеток. [9] [10] [8] [11] Кроме того, фаги могут позволить хозяину приобретать гены вирулентности и патогенности. [9] [11] На модуляцию образования биопленки также влияет заражение лизогенными фагами. [11] Исключение суперинфекции или защита от заражения несколькими фагами может быть обеспечена интеграцией профага. [12] Кроме того, механизмы рекомбинации, опосредованные фагами, могут ремоделировать хромосому хозяина и предоставлять клеткам новые способы регулирования метаболизма и экспрессии генов, например, тех, которые участвуют в споруляции и компетентности. [11] [13]
Профаги могут многое рассказать исследователям о взаимоотношениях между бактерией и хозяином. [14] Имея данные о большем количестве непатогенных бактерий, исследователи смогут собрать доказательства того, способствуют ли профаги выживанию хозяина. Геномика профагов может привести к экологической адаптации взаимоотношений между бактериями. [14] Еще одной важной областью интересов является контроль экспрессии генов профагов, при этом многие из генов лизогенной конверсии ( генной конверсии ) строго регулируются. [15] Этот процесс способен преобразовывать непатогенные бактерии в патогенные, которые теперь могут вырабатывать вредные токсины [15], например, при стафилококковых инфекциях . Поскольку конкретные механизмы профагов еще не детализированы, это исследование может предоставить сообществу этот инструмент для будущих исследований. [14]
Экзотоксины , кодируемые профагами, вызывают патогенные последствия в сельском хозяйстве и аквакультуре . [16]
