Бактериофаг Р2

Педуовирус P2
Классификация вирусов
(без рейтинга):	Вирус
Область :	Дуплоднавирия
Королевство:	Хынгонгвире
Тип:	Уровирикота
Сорт:	Каудовирицеты
Семья:	Педуовирусы
Род:	Педуовирус
Разновидность:	Педуовирус P2
Синонимы [1]
Вирус эшерихии P2

Бактериофаг P2 , научное название Peduovirus P2 (ранее Escherichia virus P2 ), ^[1] является умеренным фагом , который инфицирует E. coli . Это хвостатый вирус с сократительной оболочкой и, таким образом, классифицируется в роде Peduovirus (ранее P2likevirus ), семействе Peduoviridae внутри класса Caudoviricetes . Этот род вирусов включает в себя множество P2-подобных фагов, а также сателлитный фаг P4 . ^[2]

Бактериофаг P2 был впервые выделен Дж. Бертани из штамма E. coli Лиссабон и Каррер в 1951 году. ^[3] С тех пор было выделено большое количество P2-подобных профагов (например, 186, HP1, HK239 и WΦ), которые имели общие характеристики, такие как круг хозяев, серологическое родство и неспособность рекомбинировать с фагом λ , и они, по-видимому, были довольно распространены в популяциях E. coli, поскольку около 30% штаммов в референтной коллекции E. coli (SABC) содержат P2-подобные профаги. ^[4] Из этих P2-подобных профагов лучше всего охарактеризован P2. Было обнаружено, что фаг P2 способен размножаться во многих штаммах E. coli , а также в штаммах многих других видов, включая Serratia , Klebsiella pneumoniae и Yersinia sp. ^[5], что позволяет предположить, что он играет важную роль в горизонтальном переносе генов в эволюции бактерий.

Фаг P2 имеет двухцепочечный ДНК- геном, упакованный в икосаэдрический капсид диаметром 60 нанометров, который соединен с хвостом длиной 135 нанометров. Присутствие фага P4 может привести к тому, что P2 будет формировать меньшие капсиды. ^[6] Хвост заканчивается базовой пластиной, которая является центром управления инфекционностью фага. Базовая пластина включает 6 хвостовых волокон, которые изначально связываются с рецепторами на стенке бактериальной клетки, и белок хвостового шипа, который впоследствии необратимо связывается с другими рецепторами на стенке клетки. ^{[ необходима цитата ]}

Геном бактериофага P2 состоит из 33 592 пар оснований двухцепочечной линейной ДНК с когезивными концами (регистрационный номер AF063097). 42 гена в геноме можно разделить на три основные категории: (i) гены, необходимые для литического роста, (ii) гены, участвующие в установлении и поддержании лизогении (такие как int и C ), и (iii) несущественные гены (включая old, tin и Z/fun ). Кроме того, в геноме P2 обнаружено несколько открытых рамок считывания (ORF), которые могут кодировать функциональные белки. ^[5]

Бактериофаг P2 является умеренным фагом, что означает, что он может размножаться литически (т. е. направлять клетку-хозяина на производство потомства фага и в конечном итоге лизировать хозяина, когда потомство фага выходит), а также устанавливать лизогению (т. е. вводить и объединять свой генетический материал в геном хозяина без лизиса клетки) и сохраняться в качестве профага в геноме хозяина. ^{[ необходима цитата ]}

Адсорбция вириона на клетке-хозяине является ключевым этапом в фаговой инфекции, которая необходима для последующего связывания фага и инъекции фаговой ДНК. Во время процесса адсорбции хвостовая часть фага P2 распознает и связывается с центральной областью липополисахарида E. coli , а затем фаг вводит свою ДНК в цитоплазму. ^{[5] [7]}

Экспрессия гена P2 регулируется с течением времени в течение литического цикла. Ранняя транскрипция, которая отвечает за экспрессию генов, необходимых для последующей репликации ДНК, инициируется сразу после заражения. Ранний оперон содержит 9 генов и транскрибируется с литического промотора Pe. Первый ген в опероне, обозначенный cox , кодирует репрессор лизогенного промотора Pc и предотвращает экспрессию генов, необходимых для установления лизогении. ^{[8] [9]} Затем фаг входит в литический жизненный цикл, и начинается ранняя транскрипция. В процессе ранней транскрипции требуется только РНК-полимераза хозяина σ ^{70. [9]}

Помимо cox , ранний оперон содержит два других гена , которые необходимы для репликации ДНК P2, гены A и B. ^{[10] [11]} Репликация генома P2 инициируется белком A и происходит из фиксированного источника ( ori ) посредством модифицированного механизма катящегося кольца, который генерирует двухцепочечные мономерные кольца. ^{[12] [13]} Белок B может быть необходим для синтеза отстающей цепи, поскольку он может взаимодействовать с E. coli DnaB и функционировать как загрузчик геликазы . ^[14]

Транскрипция позднего гена инициируется четырьмя поздними промоторами после начала репликации ДНК и экспрессии активатора транскрипции Ogr. ^{[15] [16]} Поздние промоторы, P _P , P _O , P _V и _PF, активируются Ogr и направляют транскрипцию генов, ответственных за литические функции, а также кодирующих строительные блоки для потомков фагов. ^{[5] [17] [18]} Все четыре промотора имеют область с частичной диадной симметрией, сосредоточенной вокруг 55 п.н. ниже сайта инициации транскрипции. Выявленная с помощью анализа делеций и замен оснований, эта диадная симметрия, как было показано, необходима для активности промотора. ^{[9] [19] [20]} Более того, поздние гены P2 также могут быть активированы δ-белками сателлитных фагов P4 и ΦR73 напрямую. ^{[9] [21]}

Во время литического цикла, подобно другим двухцепочечным фагам, бактериофаг P2 применяет систему холин-эндолизин для лизиса клетки-хозяина. У P2 есть два основных гена лизиса (ген K и ген Y) и два вспомогательных гена лизиса ( lysA и lysB ). ^{[9] [22]} Продукт гена K имеет обширное сходство аминокислотной последовательности с геном R в фаге λ, который проявляет функцию эндолизина и атакует гликозидную связь. Ген Y кодирует полипептид, имеющий высокое сходство с семейством белков холина, который образует «дыры» в клеточной мембране и обеспечивает путь для выхода эндолизина в клеточную стенку. Необязательные гены, lysA и lysB , по-видимому, играют роль в контроле правильного времени лизиса. ^[23]

Во время лизогенного цикла геном P2 вставляется в хромосому хозяина и поддерживается в качестве профага. Интеграция включает сайт-специфическую рекомбинацию между бактериальным сайтом прикрепления ( attB ) и сайтом прикрепления фага ( attP ), что генерирует соединения хозяин-фаг, attL и attR . Эта реакция контролируется кодируемой фагом интегразой и не приводит к приобретению или потере нуклеотидов. ^[9] Другой фактор интеграции хозяина, IHF, также необходим в процессе интеграции и служит архитектурным белком, который связывает и изгибает ДНК. ^{[16] [24]} Таким образом, механизм интеграции фага P2 похож на хорошо изученную систему сайт-специфической рекомбинации λ, но фаговые белки и их сайты связывания ДНК отличаются. ^{[9] [25]}

Лизогенное состояние P2 поддерживается и поддерживается репрессором C. Это полипептид из 99 аминокислот, который связывается только с одной операторной областью, которая регулирует экспрессию ранних генов: cox, B и, возможно , A. Исследования показали, что репрессор C может как положительно, так и отрицательно регулировать свой собственный промотор Pc, поскольку Pc повышается при низком уровне C и понижается при высоком. ^{[16] [26]} Поскольку репрессор C не инактивируется системой SOS/RecA E. coli , профаг P2 не индуцируется ультрафиолетовым облучением. Более того, даже если репрессор C инактивирован, профаг P2 не способен к вырезанию из-за отсутствия экспрессии int . ^{[5] [27]} Следовательно, P2 рассматривается как прототип для неиндуцируемого класса умеренных фагов. ^[9] Механизм того, как P2 решает парадокс индукции-вырезания, до сих пор остается неизвестным. ^{[ необходима ссылка ]}

Как уже говорилось ранее, при инфицировании фаг P2 может вступать либо в литический, либо в лизогенный цикл. Решение о литическом/лизогенном развитии при инфицировании зависит от того, какой промотор берет на себя управление, лизогенный промотор Pc или промотор Pe, который контролирует гены, ответственные за литический цикл. ^[16] Pc и Pe расположены лицом к лицу, и они являются взаимоисключающими. Промотор Pe направляет транскрипцию белка Cox, который подавляет промотор Pc и тем самым предотвращает лизогенизацию, а промотор Pc направляет транскрипцию репрессора C, который подавляет Pe. ^{[5] [26] [28]} Таким образом, считается, что то, какой промотор берет на себя управление, является следствием относительных концентраций белка Cox и репрессора C. Если баланс между репрессором C и белками Cox смещается в сторону репрессора C после инфицирования, то фаг войдет в лизогенный жизненный цикл, поскольку промотор Pe будет выключен, и наоборот. ^[16]

Множество исследований показали, что геномы фагов состоят как из генов, похожих на гены хозяина или другие гены фагов, так и из новых генов, которые мало похожи на какие-либо известные гены. ^{[9] [29] [30]} Семейство фагов P2-подобных не является исключением. Их геномы имеют много общего, но каждый из них содержит уникальные гены, включая некоторые, функции которых остаются неизвестными. На основании критерия, предложенного Аккерманном, многие фаги можно таксономически классифицировать как P2-подобные, поскольку они разделяют некоторые характеристики с фагом P2, ^[31] но на сегодняшний день доступно только 6 полных геномов (P2, 186, ΦCTX, HP1, HP2 и K139). ^[9]

При сравнении всего генома было обнаружено, что только девять поздних генов (соответствующие генам H, L, M, N, O, P, Q, S, T в фаге P2) и ген интегразы генетически схожи и присутствуют во всех 6 полностью секвенированных геномах. Филогенетические деревья, основанные на аминокислотных последовательностях 9 продуктов поздних генов, построены отдельно, и все они показывают идентичную топологию, что предполагает, что они могут иметь одинаковую эволюционную историю. Более того, эти 9 поздних генов, вероятно, наследуются клонально, поскольку нет никаких указаний на основные события рекомбинации между ними для любой пары фагов. Однако для остальных генов, помимо этих девяти, их филогенетическая связь часто неоднозначна и их эволюционную историю трудно определить. ^[9]

Гомологичная рекомбинация играет более важную роль в нуклеотидных изменениях фага P2, чем мутация , что неудивительно, поскольку P2-подобные профаги распространены в популяции E. coli , и обнаружено, что генетический обмен происходит между геномами хозяев. ^{[9] [32]} Секвенирование пяти поздних генов из 18 изолятов P2-подобных фагов показало, что гомологичная рекомбинация обширна и происходит случайным образом в нескольких точках разрыва. Генетические вариации в поздних генах 18 близких родственников невелики, так как наибольшее различие в любом гене составляло всего 3,7%. Поскольку было гораздо больше вариаций в синонимичных, а не несинонимичных позициях третьего кодона, эти поздние гены, вероятно, подвергаются довольно сильному стабилизирующему отбору. ^{[9] [33]}

Помимо гомологичной рекомбинации между родственными фагами, негомологичная рекомбинация также является ключевым механизмом эволюции фагов. Высокий уровень сходства в генах хвостовых волокон фагов P2, P1 , Mu , λ, K3 и T2 , которые принадлежат к разным семействам, указывает на ранее неоцененный уровень негомологичной рекомбинации между неродственными фагами. Поскольку диапазон хозяев фага в значительной степени определяется хвостовыми волокнами, это открытие предполагает, что под селективным давлением фаги, вероятно, изменят свой диапазон хозяев, используя доступный им генофонд. ^{[7] [9]}

Способность переключаться между литическим и лизогенным жизненным циклом очень полезна для выживания фага. В большой плотной популяции изогенных хозяев литическая стратегия является предпочтительной, и вирулентность фага, а также механизмы защиты хозяина будут развиваться в режиме гонки вооружений. Напротив, лизогения предпочтительна, когда плотность клеток хозяина недостаточно высока для поддержания плотности фага повторными циклами литических инфекций. ^[34]

Хорошо известно, что фаг P2 обладает потенциалом опосредовать горизонтальный перенос генов при заражении различных бактерий. Во время этого процесса фаг P2 может служить источником новых генов для хозяев, что обеспечивает материал для эволюции и отбора. По сравнению с эволюцией посредством мутации и отбора, генетические изменения, опосредованные фагом, могут влиять на радикальные изменения в метаболизме и физиологии бактерий в течение короткого времени, и они могут придавать приспособленность своим хозяевам. Например, Эдлин и др. обнаружили, что лизогенная E. coli, имеющая профаг λ, P1, P2 или Mu, может расти быстрее, чем нелизогенный аналог в условиях ограниченных питательных веществ. ^{[35] [36]} Кроме того, было показано, что профаг P2 может способствовать распространению цитолетальных расширяющих токсинов среди штаммов E. coli O157 и способствовать расширению их ниши среди различных животных-хозяев, что дает новое понимание патогенеза E. coli O157. ^[37]

2. Бертани, Г., ИССЛЕДОВАНИЯ ЛИЗОГЕНЕЗА I.: Способ высвобождения фагов лизогенной Escherichia coli1. Журнал бактериологии, 1951. 62 (3): стр. 293.