Микобактериофаг
Вирус, поражающий микобактерии
Структурная модель микобактериофага ZoeJ с атомным разрешением [1]

Микобактериофаг является членом группы бактериофагов, которые , как известно, имеют микобактерии в качестве вида бактерий-хозяев. Первоначально выделенные из видов бактерий Mycobacterium smegmatis и Mycobacterium tuberculosis , [2] возбудителя туберкулеза , с тех пор из различных источников окружающей среды и клинических источников было выделено более 4200 микобактериофагов. 2042 из них были полностью секвенированы. [3] Микобактериофаги служили примерами вирусной лизогении и дивергентной морфологии и генетического расположения, характерного для многих типов фагов. [4]

Все обнаруженные до сих пор микобактериофаги имели двухцепочечные ДНК- геномы и были классифицированы по своей структуре и внешнему виду на сифовирусы или миовирусы . [5]

Открытие

Бактериофаг, обнаруженный для заражения Mycobacterium smegmatis в 1947 году, был первым задокументированным примером микобактериофага. Он был обнаружен в культурах бактерий, изначально растущих во влажном компосте . [6] Первый бактериофаг, который заражает M. tuberculosis, был обнаружен в 1954 году. [7]

Разнообразие

Тысячи микобактериофагов были выделены с использованием одного штамма хозяина, Mycobacterium smegmatis mc2155, более 1400 из которых были полностью секвенированы. [3] Они в основном из образцов окружающей среды, но микобактериофаги также были выделены из образцов стула больных туберкулезом , [8] хотя они еще не были секвенированы. [9] Было идентифицировано около 30 различных типов (называемых кластерами или синглтонами, если у них нет родственников), которые имеют мало общего в нуклеотидной последовательности. Многие из кластеров охватывают достаточное разнообразие, чтобы геномы заслуживали разделения на подкластеры (рисунок 1). [9]

Также существует значительный диапазон общего содержания гуанина и цитозина (GC%), от 50,3% до 70%, со средним значением 64% ( M. smegmatis составляет 67,3%). Таким образом, GC% фага не обязательно совпадает с GC% его хозяина, и последующее несоответствие профилей использования кодонов , по-видимому, не является пагубным. Поскольку все еще обнаруживаются новые микобактериофаги, не имеющие обширного сходства ДНК с существующей коллекцией, и поскольку существует по крайней мере семь синглтонов, для которых не были выделены родственники, нам явно еще предстоит насытить разнообразие этой конкретной популяции. [9]

Коллекция из >50 000 генов может быть отсортирована в >3 900 групп (так называемых фамилий , т.е. семейств фаговых белков) в соответствии с их общими аминокислотными последовательностями. Большинство этих фамилий (~75%) не имеют гомологов вне микобактериофагов и имеют неизвестную функцию. Генетические исследования с микобактериофагом Джайлса показывают, что 45% генов не являются необходимыми для литического роста . [10]

Рисунок 1. Разнообразие микобактериофагов. Секвенированные геномы 471 микобактериофага сравнивались в соответствии с их общим содержанием генов и общим сходством нуклеотидной последовательности. Цветные круги охватывают кластеры A–T, как указано, а серые круги представляют собой одиночные геномы, не имеющие близких родственников. A1, A2, A3... обозначают подкластеры. Микрофотографии показывают морфотипы миовирусных фагов кластера C и сифовирусов (всех остальных), которые в первую очередь различаются по длине хвоста (масштабные линейки: 100 нм). За исключением DS6A (одиночный), все фаги инфицируют M. smegmatis mc2155. Фаги кластера K и подмножество фагов кластера A также инфицируют M. tuberculosis . Из Hatfull 2014 [9]

По состоянию на май 2023 года на сайте PhagesDB перечислено 12579 зарегистрированных микобактериофагов, 2257 из которых были секвенированы. Около трети секвенированных фагов попадают в кластер «A», который содержит L5. [11]

Таксономия

В соответствии с результатами кластеризации phageDB, микобактериофаги разделены на множество мест в дереве таксономии вирусов ICTV. Вот несколько примеров:

  • Фаг L5 и его родственники классифицируются как Fromanvirus . См. Mycobacterium virus L5 . [12]
  • ZoeJ и TM4 классифицируются как Timquatrovirus (названный в честь TM4). [13]
  • Фаг «Корндог» классифицируется как вирус Корндог . [14]

Диапазон хостов

Анализ диапазона хозяев показывает, что не все микобактериофаги из M. smegmatis заражают другие штаммы, и только фаги в кластере K и в определенных подкластерах кластера A эффективно заражают M. tuberculosis (рисунок 1). [15] Однако мутанты могут быть легко выделены из некоторых фагов, которые расширяют свой диапазон хозяев, чтобы заражать эти другие штаммы. [15] Однако молекулярная основа диапазона хозяев зависит от поведения и наличия определенных генов. Это повышает вероятность корреляции между семействами генов и предпочтительным хозяином. [15]

Сферы заражения микобактериофагами не изучены в полной мере, поскольку они включают в себя различные механизмы, включая доступность рецепторов, рестрикцию-модификацию, абортивную инфекцию и многое другое. Эти механизмы могут быть опосредованы несколькими процессами, такими как кластеризованные регуляторные интерспейсные короткие палиндромные повторы (CRISPR) и трансляционный аппарат, который модифицируется. Фаги преодолевают эти ограничения путем эволюции, спонтанной мутации и диверсификации. [15]

Архитектура генома

Первым секвенированным геномом микобактериофага был микобактериофаг L5 в 1993 году. [16] В последующие годы были секвенированы сотни дополнительных геномов. [3] Микобактериофаги имеют высоко мозаичные геномы. Последовательности их геномов демонстрируют доказательства обширного горизонтального генетического переноса , как между фагами, так и между фагами и их микобактериальными хозяевами. Сравнение этих последовательностей помогло объяснить, как часто генетические обмены такого типа могут происходить в природе, а также как фаги могут способствовать патогенности бактерий . [17]

Были выделены и секвенированы геномы 60 микобактериофагов в 2009 году. Эти геномные последовательности были сгруппированы в кластеры несколькими методами в попытке определить сходства между фагами и изучить их генетическое разнообразие. Более половины видов фагов были первоначально обнаружены в Питтсбурге, штат Пенсильвания , или около него , хотя другие были обнаружены в других местах США, Индии и Японии. Не было обнаружено никаких явных различий в геномах видов микобактериофагов из разных глобальных источников. [18] Было обнаружено, что геномы микобактериофагов содержат подмножество генов, подвергающихся более быстрому генетическому потоку, чем другие элементы геномов. Эти гены «быстрого потока» чаще обмениваются между микобактериофагами и на 50 процентов короче по последовательности, чем средний ген микобактериофага. [18]

Приложения

Исторически микобактериофаги использовались для «типирования» (т. е. «диагностики») микобактерий, поскольку каждый фаг заражает только один или несколько штаммов бактерий. [19] В 1980-х годах фаги были открыты как инструменты для генетического манипулирования своими хозяевами. [20] Например, фаг TM4 использовался для создания челночных фазмид , которые реплицируются как большие космиды в Escherichia coli и как фаги в микобактериях. [21] Челночные фазмиды можно манипулировать в E. coli и использовать для эффективного введения чужеродной ДНК в микобактерии. [ необходима ссылка ]

Фаги с хозяевами-микобактериями могут быть особенно полезны для понимания и борьбы с микобактериальными инфекциями у людей. Была разработана система для использования микобактериофага, несущего репортерный ген , для скрининга штаммов M. tuberculosis на устойчивость к антибиотикам. [22] В будущем микобактериофаг может быть использован для лечения инфекций с помощью фаговой терапии . [23] [24]

В 2019 году сообщалось, что три микобактериофага вводились внутривенно дважды в день 15-летней девочке с муковисцидозом и диссеминированной инфекцией M. abscessus subsp. massiliense , возникшей после трансплантации легких. [25] Пациентка получила явную пользу от лечения, и лечение фагом в сочетании с антибиотиками было продлено на несколько лет. В 2022 году сообщалось, что два микобактериофага вводились внутривенно дважды в день молодому человеку с рефрактерной к лечению легочной инфекцией M. abscessus subsp. abscessus   и тяжелым муковисцидозным заболеванием легких. [26] Культуры дыхательных путей на M. abscessus стали отрицательными примерно через 100 дней комбинированного лечения фагом и антибиотиками, и различные биомаркеры подтвердили терапевтический ответ. Пациенту была проведена двусторонняя трансплантация легких после 379 дней лечения, а культуры из эксплантированной легочной ткани подтвердили искоренение бактерий. [ необходима цитата ]

Ссылки

  1. ^ Падилла-Санчес V (24 июля 2021 г.), Структурная модель микобактериофага ZoeJ с атомным разрешением, doi : 10.5281/zenodo.5132914 , получено 24 июля 2021 г.
  2. ^ Mankiewicz E (сентябрь 1961 г.). «Микобактериофаги, выделенные от лиц с туберкулезными и нетуберкулезными заболеваниями». Nature . 191 (4796): 1416–1417. Bibcode :1961Natur.191.1416M. doi :10.1038/1911416b0. PMID  14469307. S2CID  4263411.
  3. ^ abc "База данных микобактериофагов". Phagesdb.org . Получено 4 сентября 2017 г. .
  4. ^ Hatfull GF (13 октября 2010 г.). «Микобактериофаги: гены и геномы». Annual Review of Microbiology . 64 (1): 331–356. doi :10.1146/annurev.micro.112408.134233. PMID  20528690.
  5. ^ Pope WH, Jacobs-Sera D, Russell DA, Peebles CL, Al-Atrache Z, Alcoser TA и др. (январь 2011 г.). «Расширение разнообразия микобактериофагов: взгляд на архитектуру и эволюцию генома». PLOS ONE . ​​6 (1): e16329. Bibcode :2011PLoSO...616329P. doi : 10.1371/journal.pone.0016329 . PMC 3029335 . PMID  21298013. 
  6. ^ Гарднер GM, Вайзер RS (октябрь 1947). «Бактериофаг для Mycobacterium smegmatis». Труды Общества экспериментальной биологии и медицины . 66 (1): 205–206. doi :10.3181/00379727-66-16037. PMID  20270730. S2CID  20772051.
  7. ^ Froman S, Will DW, Bogen E (октябрь 1954 г.). «Бактериофаг, активный против вирулентной Mycobacterium tuberculosis. I. Изоляция и активность». American Journal of Public Health and the Nation's Health . 44 (10): 1326–1333. doi :10.2105/AJPH.44.10.1326. PMC 1620761. PMID  13197609 . 
  8. ^ Cater JC, Redmond WB (май 1963). «Фаги микобактерий, выделенные из образцов кала пациентов с легочными заболеваниями». The American Review of Respiratory Disease . 87 : 726–729. doi :10.1164/arrd.1963.87.5.726 (неактивен 12 сентября 2024 г.). PMID  14019331.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )
  9. ^ abcd Hatfull GF (март 2014 г.). «Микобактериофаги: окна в туберкулез». PLOS Pathogens . 10 (3): e1003953. doi : 10.1371/journal.ppat.1003953 . PMC 3961340. PMID  24651299 . 
  10. ^ Dedrick RM, Marinelli LJ, Newton GL, Pogliano K, Pogliano J, Hatfull GF (май 2013 г.). «Функциональные требования к росту бактериофагов: существенность и экспрессия генов в микобактериофаге Giles». Молекулярная микробиология . 88 (3): 577–589. doi : 10.1111/mmi.12210. PMC 3641587. PMID  23560716. 
  11. ^ "По родам хозяев: Mycobacterium". База данных актинобактериофагов . Получено 10 мая 2023 г.
  12. ^ "Браузер таксономии (Mycobacterium phage L5)". www.ncbi.nlm.nih.gov .
  13. ^ "Браузер таксономии (Timquatrovirus)". www.ncbi.nlm.nih.gov .
  14. ^ "Браузер таксономии (Corndogvirus)". www.ncbi.nlm.nih.gov .
  15. ^ abcd Jacobs-Sera D, Marinelli LJ, Bowman C, Broussard GW, Guerrero Bustamante C, Boyle MM и др. (Программа Science Education Alliance Phage Hunters Advancing Genomics And Evolutionary Science Sea-Phages) (декабрь 2012 г.). «О природе разнообразия микобактериофагов и предпочтениях хозяев». Вирусология . 434 (2): 187–201. doi :10.1016/j.virol.2012.09.026. PMC 3518647. PMID  23084079 . 
  16. ^ Hatfull GF, Sarkis GJ (февраль 1993 г.). «Последовательность ДНК, структура и экспрессия генов микобактериофага L5: фаговая система для генетики микобактерий». Молекулярная микробиология . 7 (3): 395–405. doi :10.1111/j.1365-2958.1993.tb01131.x. PMID  8459766. S2CID  10188307.
  17. ^ Pedulla ML, Ford ME, Houtz JM, Karthikeyan T, Wadsworth C, Lewis JA и др. (апрель 2003 г.). «Происхождение геномов микобактериофагов с высокой степенью мозаики». Cell . 113 (2): 171–182. doi : 10.1016/S0092-8674(03)00233-2 . ​​PMID  12705866. S2CID  14055875.
  18. ^ ab Hatfull GF, Jacobs-Sera D, Lawrence JG, Pope WH, Russell DA, Ko CC и др. (март 2010 г.). «Сравнительный геномный анализ 60 геномов микобактериофагов: кластеризация генома, приобретение генов и размер генов». Журнал молекулярной биологии . 397 (1): 119–143. doi :10.1016/j.jmb.2010.01.011. PMC 2830324. PMID  20064525 . 
  19. ^ Джонс В.Д. (1975). "Отчет о типировании 125 штаммов "Mycobacterium tuberculosis"". Annali Slavo; Rivista di Microbiologia e di Immunologia . 17 (4): 599–604. PMID  820285.
  20. ^ Jacobs WR Jr. 2000. Mycobacterium tuberculosis: a once genetically uncurable organism. В Molecular Genetics of the Mycobacteria, ed. GF Hatfull, WR Jacobs Jr., стр. 1–16. Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press
  21. ^ Jacobs WR, Tuckman M, Bloom BR (1987). «Введение чужеродной ДНК в микобактерии с использованием челночной фазмиды». Nature . 327 (6122): 532–535. Bibcode :1987Natur.327..532J. doi :10.1038/327532a0. PMID  3473289. S2CID  9192407.
  22. ^ Mulvey MC, Sacksteder KA, Einck L, Nacy CA (2012). «Создание новой репортерной системы на основе нуклеиновых кислот для обнаружения фенотипической восприимчивости к антибиотикам у Mycobacterium tuberculosis». mBio . 3 (2): e00312–11. doi :10.1128/mBio.00312-11. PMC 3312217 . PMID  22415006. 
  23. ^ Данелишвили Л., Янг Л.С., Бермудес Л.Е. (2006). «Эффективность фаговой терапии in vivo при инфекции Mycobacterium avium, осуществляемой невирулентной микобактерией». Microbial Drug Resistance . 12 (1): 1–6. doi :10.1089/mdr.2006.12.1. PMID  16584300.
  24. ^ McNerney R, Traoré H (2005). «Микобактериофаги и их применение для контроля заболеваний». Журнал прикладной микробиологии . 99 (2): 223–233. doi :10.1111/j.1365-2672.2005.02596.x. PMID  16033452. S2CID  43134099.
  25. ^ Dedrick RM, Guerrero-Bustamante CA, Garlena RA, Russell DA, Ford K, Harris K и др. (май 2019 г.). «Сконструированные бактериофаги для лечения пациента с диссеминированным лекарственно-устойчивым Mycobacterium abscessus». Nature Medicine . 25 (5): 730–733. doi :10.1038/s41591-019-0437-z. PMC 6557439 . PMID  31068712. 
  26. ^ Nick JA, Dedrick RM, Gray AL, Vladar EK, Smith BE, Freeman KG и др. (май 2022 г.). «Реакция хозяина и патогена на бактериофаг, разработанный против инфекции легких Mycobacterium abscessus». Cell . 185 (11): 1860–1874.e12. doi :10.1016/j.cell.2022.04.024. PMC 9840467 . PMID  35568033. S2CID  248755782. 
  • База данных микобактериофагов

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Микобактериофаг&oldid=1245395281"