Microbiology

Описанные выше бактериофаги, как правило, лизируют зараженные ими бактерии, и потому их называют вирулентными. Некоторые фаги, однако, заражают бактерий-хозяев, но не размножаются в них автономно и не вызывают лизиса. Такие фаги называются умеренными. Видимо, их размножение происходит синхронно с размножением бактерии. Лишь очень редко, в одной из 10²-10⁵ таких «лизогенных» бактерий, фаг начинает спонтанно размножаться и клетка подвергается лизису. В этом случае для того, чтобы обнаружить выход инфекционного фага, в качестве индикатора нужен другой бактериальный штамм, для которого этот фаг вирулентен. Если смешать лизогенные бактерии с избытком бактерий-индикаторов и посеять смесь на агаризованную среду, то будут расти также и колонии лизогенных бактерий. Время от времени некоторые клетки будут лизироваться и выходящие из них фаговые частицы, будут заражать находящиеся по соседству чувствительные (индикаторные) бактерии. Это приведет к появлению бляшек в сплошном бактериальном газоне. Однако в середине каждой такой бляшки сохранится колония лизогенной бактерии (рис. 4.12).

Лизогенные бактерии обладают потенциальной способностью продуцировать фаги, но эту способность нельзя обнаружить, ни морфологическим, ни серологическим исследованием. Фаг в таком неинфекционном состоянии, передающийся только дочерним клеткам при делении, называют профагом. Подобно другим признакам бактериальной клетки, наличие в ней профага наследуется. Поскольку все потомство лизогенной клетки тоже лизогенно, профаг, очевидно, должен реплицироваться синхронно и регулярно вместе с хромосомой клетки-хозяина (рис. 4.13).

Лизогенные бактерии иммунны к заражению теми фагами, которые присутствуют в них в виде профага. Обеспечиваемый профагами иммунитет обусловлен не невозможностью адсорбции (как при устойчивости к вирулентным фагам), а образованием особого цитоплазматического белка-репрессора, препятствующего размножению вегетативных фагов. Этот же репрессор препятствует обратному переходу профага в вегетативное состояние и подавляет синтез фаговых белков. Возникновение лизогенного состояния связано, таким образом, с образованием репрессорного белка.

Спонтанно, без воздействия извне лизогенные бактерии лизируются редко. Однако целый ряд факторов (ультрафиолетовые лучи, митомицин С или алкилирующие агенты) может индуцировать в каждой клетке развитие профага, ведущее к образованию и высвобождению инфекционного фага. Успех такой индукции зависит от генетической конституции профага, физиологического состояния хозяина и условий культиви­рования. Индукция связана, очевидно, с устранением или инактивацией имеющихся молекул репрессора. Некоторые мутанты умеренных фагов образуют термолабильный репрессор, и тогда достаточно уже повышения температуры до 44°С, чтобы вызвать лизис бактерий.

Интеграция и индукция фага λ (лямбда). Изучение фага лямбда (λ), лизогенного для Escherichia coli K12, позволило выяснить, каким образом профаг связан с бактериальной хромосомой. Лизогенизация бактерий этим фагом может служить примером жизненного цикла умеренного бактериофага. Длина хромосомы фага лямбда оставляет всего 2% длины бактериальной хромосомы.

В свободных фаговых частицах ДНК присутствует в виде линейной (не кольцевой) двойной спирали (рис. 4.14). Каждая из цепей на одном конце выступает за пределы дуплекса на 12 нуклеотидов. Эти два одноцепочечных конца комплементарны друг другу; путем спаривания оснований они могут соединяться друг с другом, поэтому их называют «липкими» концами. Если поместить такие молекулы ДНК in vitro в раствор, то благодаря взаимодействию между комплементарными основаниями одноцепочечных концов наступает равновесие между линейными и кольцевыми ДНК. Такое же замыкание в кольцо происходит после того, как фаг лямбда инфицирует клетку. При этом оба разрыва между концами цепей закрываются полинуклеотидлигазой. Функция этого бактериального фермента состоит в том, чтобы устранять разрывы в отдельных цепях двойных спиралей ДНК путем связывания нуклеотидов. Таким образом, для замыкания линейной ДНК фага в кольцо никакие фаговые ферменты не нужны.

В лизогенных клетках профаг прочно связан с хромосомой клетки-хозяина. При конъюгации клеток профаг вместе с хромосомой хозяина переносится из клетки-донора в клетку-реципиент. Генетические экспе­рименты показывают, что фаг лямбда присоединен к хромосоме хозяина в совершенно определенном месте (между галактозным опероном и биотиновым локусом). Вначале предполагали, что ДНК бактериофага только прикрепляется к хромосоме бактерии в этом участке. Однако в результате составления генетических карт фага, а также из опытов по рекомбинации стало ясно, что фаговая ДНК при лизогенизации не просто прикрепляется к бактериальной ДНК, а включается в нее.

Включение (интеграция) ДНК профага в хромосому клетки-хозяина происходит, очевидно, в результате разрыва и перекрестного воссоединения (рис. 4.14). За эту реакцию ответствен фермент, названный лямбда-интегразой. Он узнает две разные, негомологичные последовательности нуклеотидов - одну в хромосомной ДНК и одну в ДНК фага - и тесно сближает обе двойные спирали друг с другом; затем последние разрываются и снова соединяются крест-накрест. Отдельные этапы этой сайт-специфической рекомбинации показаны на рис. 4.14.

В интегрированном состоянии фаговая ДНК реплицируется вместе с бактериальной и подвержена тем же регуляторным воздействиям, что и удвоение бактериальных хромосом. Информация, содержащаяся в фа­говой ДНК, в это время не проявляется. Только в результате перехода профага в вегетативное состояние восстанавливается автономия фаговой ДНК и начинается размножение фага. Этот обратный процесс может произойти спонтанно или в результате индукции (например, под действием ультрафиолетового облучения).Исключение фаговой ДНК из бактериальной хромосомы происходит, вероятно, путем обращения процессов, приведших к ее включению, и осуществляется очень точно: более 99% фаговых частиц, освобождающихся из лизогенных клеток, идентичны с исходным (инфицирующим) фагом. Это означает, что фаговая ДНК при ее выключении выщепляется точно в том же месте, где происходила интеграция. Только в редких случаях (одном из 100 000) выключение ДНК фага происходит аномально.

Как только профаг в результате выключения перешел в вегетативное состояние, он опять становится автономным и может размножаться в бактериальной клетке как вирулентный фаг. Выключение, таким образом,  приводит к  лизису  бактерии   и   высвобождению  фага  лямбда.