stringtranslate.com

Фи X 174

Структура капсида фага ΦX174
Схематическое изображение вириона вируса Синсхаймера (он же микровирус Phix174

Бактериофаг phi X 174 (или ΦX174 ) представляет собой одноцепочечный ДНК-вирус ( ssDNA ) , который заражает Escherichia coli . Этот вирус был выделен в 1935 году Николасом Булгаковым [1] в лаборатории Феликса д'Эрелля в Институте Пастера из образцов, собранных в парижских канализационных системах. Его характеристика и изучение механизма его репликации проводились с 1950-х годов. Это был первый геном на основе ДНК , который был секвенирован. Эта работа была завершена Фредом Сэнгером и его командой в 1977 году . [2] В 1962 году Уолтер Фирс и Роберт Синсхаймер уже продемонстрировали физическую, ковалентно замкнутую кольцевость ДНК ΦX174. [3] Лауреат Нобелевской премии Артур Корнберг использовал ΦX174 в качестве модели, чтобы впервые доказать, что ДНК, синтезированная в пробирке очищенными ферментами, может воспроизводить все признаки естественного вируса, что положило начало эпохе синтетической биологии . [4] [5] В 1972–1974 годах Джерард Гурвиц , Сью Викнер и Рид Викнер с соавторами определили гены, необходимые для производства ферментов, катализирующих преобразование одноцепочечной формы вируса в двухцепочечную репликативную форму. [6] В 2003 году группа Крейга Вентера сообщила , что геном ΦX174 был первым, полностью собранным in vitro из синтезированных олигонуклеотидов. [7] Вирусная частица ΦX174 также была успешно собрана in vitro . [8] В 2012 году было показано, как его сильно перекрывающийся геном может быть полностью декомпрессирован и при этом оставаться функциональным. [9]

Геном

Геном бактериофага ΦX174, показывающий его 11 генов [10]

Этот бактериофаг имеет [+] смысловой кольцевой одноцепочечный ДНК- геном из 5386 нуклеотидов . [10] Содержание GC в геноме составляет 44%, а 95% нуклеотидов принадлежат кодирующим генам. Из-за сбалансированной базовой структуры генома он используется в качестве контрольной ДНК для секвенаторов Illumina. [ необходима цитата ]

Гены

ΦX174 кодирует 11 генов, названных последовательными буквами алфавита в порядке их открытия, за исключением A*, который является альтернативным стартовым кодоном в пределах больших генов A. Только гены A* и K считаются несущественными, хотя есть некоторые сомнения относительно A*, поскольку его стартовый кодон может быть изменен на ATT, но не на любую другую последовательность. [11] Теперь известно, что ATT, вероятно, все еще способен производить белок [12] в E. coli , и поэтому этот ген на самом деле может быть существенным.

Первая половина генома ΦX174 характеризуется высоким уровнем перекрытия генов [13], при этом восемь из 11 генов перекрываются по крайней мере одним нуклеотидом. [2] Было показано, что эти перекрытия не являются существенными [9], хотя рефакторингованный фаг, у которого удалены все перекрытия генов, имел сниженную приспособленность по сравнению с диким типом. [14]

Фаг ΦX174 использовался для попытки установить отсутствие неоткрытой генетической информации с помощью подхода «доказательство путем синтеза». [15]

Транскриптом

В 2020 году был создан транскриптом ΦX174. [16] Примечательными особенностями транскриптома ΦX174 являются ряд из четырех относительно слабых промоторов в ряду с четырьмя Rho-независимыми (внутренними) терминаторами и одним Rho-зависимым терминатором. [ необходима цитата ]

Белки

ΦX174 кодирует 11 белков .

Протеом

Недавно было сообщено об идентификации всех белков ΦX174 с использованием масс-спектрометрии. [14]

Цикл заражения

Инфекция начинается, когда белок G связывается с липополисахаридами на поверхности бактериальной клетки-хозяина. Белок H (или белок-пилот ДНК) направляет вирусный геном через бактериальную мембрану бактерий E.coli [18], скорее всего, через предсказанную спираль трансмембранного домена N-конца. [19] Однако стало очевидно, что белок H является многофункциональным белком. [20] Это единственный вирусный капсидный белок ΦX174, не имеющий кристаллической структуры по нескольким причинам. Он имеет низкое содержание ароматических групп и высокое содержание глицина , что делает структуру белка очень гибкой, и, кроме того, отдельные атомы водорода (группа R для глицинов) трудно обнаружить в кристаллографии белка. Кроме того, белок H вызывает лизис бактериального хозяина при высоких концентрациях, поскольку предсказанная трансмембранная спираль N-конца легко проделывает отверстия в бактериальной стенке. Согласно биоинформатике , этот белок содержит четыре предсказанных домена спиральной спирали , которые имеют значительную гомологию с известными факторами транскрипции. Кроме того, было установлено, что для оптимального синтеза других вирусных белков необходим белок H de novo . [21] Мутации в белке H, которые препятствуют включению вируса, могут быть преодолены при поставке избыточного количества белка B, внутреннего белка каркаса. [ необходима цитата ]

ДНК выбрасывается через гидрофильный канал в 5-кратной вершине. [22] Понятно, что белок H находится в этой области, но экспериментальные данные не подтвердили его точное местоположение. Оказавшись внутри бактерии-хозяина, репликация генома [+] ssDNA происходит через промежуточный продукт отрицательной полярности ДНК. Это происходит, когда геном фага суперспирализуется, и вторичная структура, образованная такой суперспирализацией, привлекает комплекс белков примосомы . Он перемещается один раз вокруг генома и синтезирует [−]ssDNA из положительного исходного генома. Геномы [+]ssDNA для упаковки в вирусы создаются из этого с помощью механизма катящегося кольца. Это механизм, с помощью которого двухцепочечный суперспирализированный геном разрезается на положительной цепи кодируемым вирусом белком A, также привлекая бактериальную ДНК-полимеразу (ДНКП) к месту расщепления. DNAP использует отрицательную цепь в качестве шаблона для создания положительной смысловой ДНК. По мере перемещения по геному она вытесняет внешнюю цепь уже синтезированной ДНК, которая немедленно покрывается белками SSBP . Белок A расщепляет весь геном каждый раз, когда он распознает исходную последовательность. [ необходима цитата ]

Поскольку белок D является наиболее распространенным транскриптом гена, он является наиболее распространенным белком в вирусном прокапсиде. Аналогично, транскрипты генов для F, J и G более распространены, чем для H, поскольку стехиометрия для этих структурных белков составляет 5:5:5:1. Праймосомы представляют собой белковые комплексы, которые прикрепляют/связывают фермент геликазу на матрице. Праймосомы дают праймеры РНК для синтеза ДНК в цепях. [ необходима цитата ]

Скорость мутации

Скорость мутации phiX174 оценивается в 1,0 x 10 -6 замен на основание за один цикл копирования, что соответствует правилу Дрейка (0,003 мутации на геном за один цикл копирования в микроорганизмах на основе ДНК) [23] .

Рекомбинация

PhiX174 способен подвергаться генетической рекомбинации . На основе частот рекомбинации, полученных в генетических скрещиваниях, была построена генетическая карта. [24] Рекомбинация в phi X174 связана с высокой отрицательной интерференцией, т.е. положительной корреляцией (отрицательной интерференцией) рекомбинационных событий (см. википедия кроссоверная интерференция ). [24]

Филогенетика и разнообразие

ΦX174 тесно связан с другими микровирусами , особенно с фагом NC (например, NC1, NC7, NC11, NC16, NC37, NC5, NC41, NC56, NC51 и т. д.), а также более отдаленно связан с фагами типа G4 и еще более отдаленно связан с фагом типа α3. Rokyta et al. 2006 представили филогенетическое дерево их взаимоотношений. [25]

Использует

Экспериментальная эволюция

ΦX174 использовался в качестве модельного организма во многих эволюционных экспериментах. [26]

Биотехнология

ΦX174 регулярно используется в качестве положительного контроля в секвенировании ДНК из-за его относительно небольшого размера генома по сравнению с другими организмами, его относительно сбалансированного содержания нуклеотидов — около 23% G, 22% C, 24% A и 31% T, т. е. 45% G+C и 55% A+T, см. доступ NC_001422.1 [10] для его последовательности длиной 5386 нуклеотидов. Инструменты секвенирования Illumina используют ΦX174 в качестве положительного контроля, [27] и один запуск секвенирования Illumina может охватить геном ΦX174 несколько миллионов раз, что делает его, весьма вероятно, наиболее секвенированным геномом в истории. [ необходима цитата ]

ΦX174 также используется для проверки устойчивости средств индивидуальной защиты к вирусам, передающимся через кровь. [28]

ΦX174 также был модифицирован для обеспечения возможности отображения пептидов (фагового отображения) из вирусного капсидного белка G. [29]

Синтетическая Биология

Геном ΦX174 был первым фагом, клонированным в дрожжах, [9] , что обеспечивает удобную площадку для модификаций генома. [30] ΦX174 также был первым геномом, который был полностью декомпрессирован, в котором были удалены все перекрытия генов. [13] Эффект этих изменений привел к значительному снижению прикрепления к хозяину, нарушению регуляции экспрессии белка и чувствительности к теплу. [14]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Лацкович, Здравко; Толян, Карло (20 декабря 2020 г.). «Владимир Сертич: забытый пионер вирусологии и бактериофаговой терапии». Заметки и записи: Журнал истории науки Королевского общества . 74 (4): 567–578. doi :10.1098/rsnr.2019.0010. ISSN  0035-9149. PMC 7653334.  PMID 33177747  .
  2. ^ ab Sanger F, Air GM, Barrell BG, Brown NL, Coulson AR, Fiddes CA и др. (февраль 1977 г.). "Нуклеотидная последовательность ДНК бактериофага phi X174". Nature . 265 (5596): 687–95. Bibcode :1977Natur.265..687S. doi :10.1038/265687a0. PMID  870828. S2CID  4206886.
  3. ^ Fiers W, Sinsheimer RL (октябрь 1962 г.). «Структура ДНК бактериофага phi-X174. III. Ультрацентрифугальное доказательство кольцевой структуры». Журнал молекулярной биологии . 5 (4): 424–34. doi :10.1016/S0022-2836(62)80031-X. PMID  13945085.
  4. ^ Профили Национальной медицинской библиотеки в области науки. Документы Артура Корнберга. «Создание жизни в пробирке», 1959-1970. ссылка [ необходим неосновной источник ]
  5. ^ Goulian M, Kornberg A, Sinsheimer RL (декабрь 1967 г.). «Ферментативный синтез ДНК, XXIV. Синтез инфекционной ДНК фага phi-X174». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 58 (6): 2321–8. Bibcode : 1967PNAS...58.2321G. doi : 10.1073/pnas.58.6.2321 . JSTOR  58720. PMC 223838. PMID  4873588 . 
  6. ^ Wickner S, Hurwitz J (октябрь 1974 г.). «Преобразование вирусной ДНК phiX174 в двухцепочечную форму очищенными белками Escherichia coli». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 71 (10): 4120–4. doi : 10.1073/pnas.71.10.4120 . PMC 434340. PMID  4610569 . 
  7. ^ Smith HO, Hutchison CA, Pfannkoch C, Venter JC (декабрь 2003 г.). «Создание синтетического генома путем сборки всего генома: бактериофаг phiX174 из синтетических олигонуклеотидов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (26): 15440–5. Bibcode : 2003PNAS..10015440S. doi : 10.1073/pnas.2237126100 . JSTOR  3149024. PMC 307586. PMID  14657399 . 
  8. ^ Cherwa JE, Organtini LJ, Ashley RE, Hafenstein SL, Fane BA (сентябрь 2011 г.). «СБОРКА in VITRO прокапсида øX174 из внешних олигомеров белка-скеффолда и ранних пентамерных промежуточных продуктов сборки». Журнал молекулярной биологии . 412 (3): 387–96. doi :10.1016/j.jmb.2011.07.070. PMID  21840317.
  9. ^ abc Jaschke PR, Lieberman EK, Rodriguez J, Sierra A, Endy D (декабрь 2012 г.). «Полностью распакованный синтетический геном бактериофага øX174, собранный и заархивированный в дрожжах». Вирусология . 434 (2): 278–84. doi : 10.1016/j.virol.2012.09.020 . PMID  23079106.
  10. ^ abc Enterobacteria phage phiX174 sensu lato , полный геном. "Полный геном: accession NC_001422", Национальный центр биотехнологической информации . Получено 30 января 2016 г.
  11. ^ Baas PD, Liewerink H, van Teeffelen HA, van Mansfeld AD, van Boom JH, Jansz HS (июнь 1987 г.). «Изменение стартового кодона ATG белка A бактериофага phi X174 в кодон ATT дает жизнеспособный фаг, указывающий на то, что белок A не является необходимым для воспроизводства phi X174». FEBS Letters . 218 (1): 119–25. doi : 10.1016/0014-5793(87)81030-x . PMID  2954853. S2CID  24174007.
  12. ^ Hecht A, Glasgow J, Jaschke PR, Bawazer LA, Munson MS, Cochran JR и др. (апрель 2017 г.). «Измерения инициации трансляции со всех 64 кодонов в E. coli». Nucleic Acids Research . 45 (7): 3615–3626. doi :10.1093/nar/gkx070. PMC 5397182. PMID  28334756 . 
  13. ^ ab Райт, Брэдли У.; Моллой, Марк П.; Яшке, Пол Р. (5 октября 2021 г.). «Перекрывающиеся гены в естественных и сконструированных геномах». Nature Reviews Genetics . 23 (3): 154–168. doi :10.1038/s41576-021-00417-w. ISSN  1471-0064. PMC 8490965. PMID 34611352  . 
  14. ^ abc Wright BW, Ruan J, Molloy MP, Jaschke PR (ноябрь 2020 г.). «Genome Modularization Reveals Overlapped Gene Topology Is Necessary for Efficient Viral Reproduction». ACS Synthetic Biology . 9 (11): 3079–3090. doi :10.1021/acssynbio.0c00323. PMID  33044064. S2CID  222300240.
  15. ^ Jaschke PR, Dotson GA, Hung KS, Liu D, Endy D (ноябрь 2019 г.). «Окончательная демонстрация полноты аннотации генома путем синтеза». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 116 (48): 24206–24213. doi : 10.1073/pnas.1905990116 . PMC 6883844. PMID  31719208 . 
  16. ^ Logel DY, Jaschke PR (август 2020 г.). «Карта транскрипции бактериофага ϕX174 с высоким разрешением». Вирусология . 547 : 47–56. doi : 10.1016/j.virol.2020.05.008 . PMID  32560904. S2CID  219459208.
  17. ^ Фейн Б.А., Брентлингер К.Л., Берч А.Д., Чен М., Хафенштейн С., Мур Э., Новак С.Р., Утияма А. (2006). «ɸX174 и др., Микровирусы ». В Календаре R (ред.). Бактериофаги (2-е изд.). Нью-Йорк: Оксфордский университет. Нажимать. п. 130. ИСБН 978-0195148503.
  18. ^ Jazwinski SM, Lindberg AA, Kornberg A (июль 1975). «Липополисахаридный рецептор для бактериофага phiX174 и S13». Вирусология . 66 (1): 268–82. doi :10.1016/0042-6822(75)90197-x. PMID  1094681.
  19. ^ Tusnády GE, Simon I (сентябрь 2001 г.). «Сервер прогнозирования трансмембранной топологии HMMTOP». Биоинформатика . 17 (9): 849–50. doi : 10.1093/bioinformatics/17.9.849 . PMID  11590105.
  20. ^ Cherwa JE, Young LN, Fane BA (март 2011 г.). «Разъединение функций многофункционального белка: изоляция мутанта пилотного белка ДНК, который влияет на морфогенез частиц». Вирусология . 411 (1): 9–14. doi : 10.1016/j.virol.2010.12.026 . PMID  21227478.
  21. ^ Ruboyianes MV, Chen M, Dubrava MS, Cherwa JE, Fane BA (октябрь 2009 г.). «Экспрессия пилотных белков N-концевой делеции ДНК подавляет ранние стадии репликации phiX174». Journal of Virology . 83 (19): 9952–6. doi :10.1128/JVI.01077-09. PMC 2748053 . PMID  19640994. 
  22. ^ McKenna R, Xia D, Willingmann P, Ilag LL, Krishnaswamy S, Rossmann MG и др. (январь 1992 г.). «Атомная структура одноцепочечной ДНК бактериофага phi X174 и ее функциональные последствия». Nature . 355 (6356): 137–43. Bibcode :1992Natur.355..137M. doi :10.1038/355137a0. PMC 4167681 . PMID  1370343. 
  23. ^ Cuevas JM, Duffy S, Sanjuán R (октябрь 2009 г.). "Скорость точечных мутаций бактериофага PhiX174". Genetics . 183 (2): 747–9. doi :10.1534/genetics.109.106005. PMC 2766332 . PMID  19652180. 
  24. ^ ab Benbow RM, Hutchison CA, Fabricant JD, Sinsheimer RL (май 1971). "Генетическая карта бактериофага phiX174". J Virol . 7 (5): 549–58. doi :10.1128/JVI.7.5.549-558.1971. PMC 356162 . PMID  16789129. 
  25. ^ Rokyta DR, Burch CL, Caudle SB, Wichman HA (февраль 2006 г.). «Горизонтальный перенос генов и эволюция геномов микровирусных колифагов». Журнал бактериологии . 188 (3): 1134–42. doi :10.1128/JB.188.3.1134-1142.2006. PMC 1347346. PMID  16428417 . 
  26. ^ Wichman HA, Brown CJ (август 2010 г.). «Экспериментальная эволюция вирусов: Microviridae как модельная система». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences . 365 (1552): 2495–501. doi :10.1098/rstb.2010.0053. PMC 2935103. PMID  20643739 . 
  27. ^ "Использование PhiX Control для HiSeq® Sequencing Runs". Illumina. Архивировано из оригинала 9 января 2019 г. Получено 8 января 2019 г.
  28. ^ "PPE-Info – Standard Details". wwwn.cdc.gov . Получено 8 февраля 2019 г. .
  29. ^ Christakos KJ, Chapman JA, Fane BA, Campos SK (январь 2016 г.). «PhiXing-it, displaying foreign peptides on bacteriophage ΦX174». Вирусология . 488 : 242–8. ​​doi :10.1016/j.virol.2015.11.021. PMC 6191337. PMID  26655242 . 
  30. ^ Ando H, Lemire S, Pires DP, Lu TK (сентябрь 2015 г.). «Инженерные модульные вирусные каркасы для целевого редактирования бактериальной популяции». Cell Systems . 1 (3): 187–196. doi :10.1016/j.cels.2015.08.013. PMC 4785837 . PMID  26973885. 

Внешние ссылки