ძირითადი მასალა

კურსი: ბიოლოგია > თემა 20

გაკვეთილი 1: ვირუსები

ბაქტერიოფაგები

ბაქტერიების მაინფიცირებელი ვირუსები. ლიზისური და ლიზოგენური ციკლები.

შესავალი

ბაქტერიებიც კი შეიძლება, დავირუსდნენ! ვირუსებს, რომლებიც ბაქტერიებს აინფიცირებენ, ბაქტერიოფაგები ეწოდებათ. ზოგიერთი ბაქტერიოფაგი დეტალურადაა შესწავლილი ლაბორატორიულ პირობებში (რის გამოც ისინი სხვა ვირუსებთან შედარებით საკმაოდ კარგად გვესმის).

ამ სტატიებში ჩვენ განვიხილავთ ორ სხვადასხვა ციკლს, რომლებსაც ბაქტერიოფაგები იყენებენ თავიანთი მასპინძელი ბაქტერიების ინფიცირებისთვის:

ლიზისური (დამშლელი) ციკლი: ფაგი აინფიცირებს ბაქტერიას, აიძულებს მას, წარმოქმნას ბევრი ფაგი, შემდეგ კი კლავს უჯრედს მისი დაშლის (ლიზისის) გზით.
ლიზოგენური ციკლი: ფაგი აინფიცირებს ბაქტერიას და თავის დნმ-ს ბაქტერიულ ქრომოსომაში ათავსებს, რისი მეშვეობითაც ფაგის დნმ (აწ უკვე პროფაგი) მრალვდება და გადაიცემა უჯრედის დნმ-თან ერთად.

მოდით, უფრო დაწვრილებით შევისწავლოთ თითოეული ციკლი.

ბაქტერიოფაგი არის ვირუსი, რომელიც აინფიცირებს ბაქტერიას

ბაქტერიოფაგი, შემოკლებით ფაგი, არის ვირუსი, რომელიც ბაქტერიებს აინფიცირებს. ვირუსთა სხვა ტიპების მსგავსად, ბაქტერიოფაგებიც მრავალმხრივ განსხვავდებიან ფორმებისა და გენეტიკური მასალის მიხედვით.

ფაგის გენომი შედგება დნმ-ის ან რნმ-ისგან და იგი შეიძლება შეიცავდეს სულ რაღაც ოთხიდან რამდენიმე ასეულამდე გენს $^{1, 2, 3}$ ‍.
ბაქტერიოფაგის კაფსიდის (ცილოვანი გარსის) ფორმა შეიძლება იყოს იკოსაედრული (ოცწახნაგა), ფილამენტური (ძაფისებრი) ან სულაც თავისა და კუდისგან შემდგარი (კუდიანი). თავისა და კუდის სტრუქტურა, როგორც ჩანს, დამახასიათებელია მხოლოდ ფაგებისა და მათი მონათესავე ვირუსებისთვის (და იგი არ გვხვდება ეუკარიოტულ ვირუსებში) $^{4, 5}$ ‍.
ოცწახნაგა ფაგი, თავისა და კუდისგან შემდგარი ფაგი, ძაფისებრი ფაგი.
სახეცვლილი სურათის წყაროა „Corticovirus", „T7likevirus", და „Inovirus, ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0.

ბაქტერიოფაგული ინფექციები

ბაქტერიოფაგებმაც, სხვა ვირუსების მსგავსად, აუცილებლად უნდა დააინფიცირონ მასპინძელი უჯრედი, რათა გამრავლდნენ. იმ ეტაპებს, რომლებისგანაც შედგება ინფიცირების პროფესი, ერთობლივად ფაგის სასიცოცხლო ციკლი ეწოდება.

ზოგიერთი ფაგი მხოლოდ ლიზისური (დამშლელი) სასიცოცხლო ციკლის მეშვეობით მრავლდება. ამ პროცესის დროს ფაგები შლიან და კლავენ მასპინძელ უჯრედებს. სხვა ფაგები ლიზისურის გარდა ლიზოგენურ სასიცოცხლო ციკლსაც მიმართავენ, რომლის დროსაც ისინი არ კლავენ მასპინძელ უჯრედს (და, ნაცვლად ამისა, ამ უჯრედის გაყოფისას მის დნმ-თან ერთად მრავლდებიან).

მოდით, უფრო დეტალურად განვიხილოთ თითოეული ციკლი. მაგალითისთვის გამოვიყენებთ ლამბდა-ფაგს (

λ

), რომელიც E. coli ბაქტერიას აინფიცირებს და შეუძლია ორივე სასიცოცხლო ციკლის წარმართვა.

ლიზისური ციკლი

ლიზისურ ციკლში ფაგი ტიპური ვირუსივით მოქმედებს: იგი უტევს მასპინძელ უჯრედს და ამ უჯრედის რესურსებს მრავალი ახალი ფაგის საწარმოებლად იყენებს, რაც იწვევს უჯრედის ლიზისსა (დაშლასა) და კვდომას.

სახეცვლილი სურათის წყაროა „Conjugation", Adenosine (CC BY-SA 3,0). სახეცვლილი სურათი ვრცელდება CC BY-SA 3,0 ლიცენზიით. დაფუძნებულია Alberts et al.-ში არსებულ მსგავს დიაგრამაზე. $^{6}$ ‍

ლიზისური ციკლის საფეხურებია:

მიბმა: ფაგის „კუდში“ არსებული ცილები ებმიან ბაქტერიული უჯრედის ზედაპირის სპეციფიკურ რეცეპტორს (ამ შემთხვევაში, შაქრის გადამტანს).
შესვლა: ფაგს თავისი ორჯაჭვიანი დნმ-ის გენომი შეყავს ბაქტერიის ციტოპლაზმაში.
დნმ-ის კოპირება და ცილების სინთეზი: ფაგის დნმ კოპირდება, ფაგის გენები კი ექსპრესირდება ცილების წარმოსაქმნელად, მაგალითად, კაფსიდური ცილებისა.
ახალი ფაგის აწყობა: კაფსიდური ცილებისგან იწყობა კაფსიდები და ივსება დნმ-ით, რათა წარმოიქმნას ახალი ფაგები.
ლიზისი: ლიზისური ციკლის ბოლოსკენ ფაგი ექსპრესირებს გენებს იმ ცილების წარმოსაქმნელად, რომლებიც ხვრელებს აჩენენ პლაზმურ მემბრანასა და უჯრედის კედელში. ამ ხვრელებიდან უჯრედში წყალი შედის, იგი იბერება და სკდება წყლით სავსე ბუშტივით.

უჯრედის გასკდომა, დაშლა, ანუ ლიზისი, ათავისუფლებს ასობით ახალ ფაგს, რომლებსაც შეუძლიათ, იპოვონ და დააინფიცირონ ახლოს მყოფი მასპინძელი უჯრედები. ამგვარად, ლიზისური ინფექციის რამდენიმე ციკლს შეუძლია, ხანძარივით მოედოს ბაქტერიების პოპულაციას.

ლიზოგენური ციკლი

ლიზოგენური ციკლი ფაგს საშუალებას აძლევს, მასპინძლის განადგურების გარეშე გამრავლდეს. ზოგიერთ ფაგს მხოლოდ ლიზისური ციკლის გამოყენება შეუძლია, თუმცა ფაგს, რომელსაც ახლა განვიხილავთ, ლამბდა-ფაგს (

λ

), ამ ორ ციკლს შორის მონაცვლეობა ძალუძს.

ფაგების უმრავლესობა ან პირწმინდად ლიზისურები არიან (მათ ზოგჯერ ვირულენტურ ფაგებს უწოდებენ), ან შეუძლიათ ლიზისურ და ლიზოგენურ ციკლებს შორის მონაცვლეობა (მათ ზოგჯერ ზომიერ ფაგებს უწოდებენ).

მიუხედავად ამისა, როდესაც ვირუსოლოგიასთან გვაქვს შეხება, თითქმის ყველა წესში გამონაკლისი არსებობს და ასეთია ფაგების სასიცოცხლო ციკლების შემთხვევაც. ძაფისებრი (იგივე ფილამენტური; გრძელი, ჩხირის ფორმის) ფაგები გამოიყოფიან უჯრედიდან იმ პროცესის დროს, რომელიც არ შლის და არ კლავს უჯრედს (მიუხედავად იმისა, რომ უჯრედი აქტიურად წარმოქმნის ახალ ფაგებს)

^{7, 8}

. ეს არის „ლიზისის მსგავსი“ სასიცოცხლო ციკლი, რომელშიც, რეალურად, ლიზისი არ მიმდინარეობს.

ლიზოგენური ციკლის დროს პირველი ორი საფეხური (მიმაგრება და დნმ-ის შეყვანა) ხდება ისევე, როგორც ლიზისურ ციკლში. მიუხედავად ამისა, მას შემდეგ, რაც ფაგის დნმ უჯრედში აღმოჩნდება, იგი დაუყოვნებლივ არ იწყებს ასლების წარმოქმნასა თუ ცილების წარმოსაქმნელად ექსპრესირებას. ნაცვლად ამისა, იგი რეკომბინირებს ბაქტერიული ქრომოსომის განსაზღვრულ რეგიონთან. ამის მეშვეობით ფაგის დნმ ინტეგრირდება ქრომოსომაში.

ლიზოგენური ციკლის დროს ყველა ფაგი როდი ინტეგრირებს თავის დნმ-ს მასპინძლის გენომში. ამის ნაცვლად, ზოგი ფაგი უჯრედში თავის გენომს დნმ-ის იზოლირებულ, წრიულ ფრაგმენტად ინახავს

^{7}

ეს მაინც ლიზოგენურ ციკლად მიიჩნევა, რადგან ფაგი არ წარმართავს ახალი ვირუსების წარმოებას და არ კლავს უჯრედს. ნაცვლად ამისა, იგი „დუმს“ და პასიურად წარმოქმნის საკუთარი თავის ასლებს უჯრედის დნმ-თან ერთად.

ფაგის ინტეგრირებული დნმ, რომელსაც პროფაგი ეწოდება, არ არის აქტიური: მისი გენები არ ექსპრესირდება და იგი არ წარმართავს ახალი ფაგების წარმოქმნას. მიუხედავად ამისა, მასპინძელი უჯრედის ყოველი გაყოფისას პროფაგი მასპინძლის დნმ-თან ერთად კოპირდება, „მის ხარჯზე ხეირობს“. ლიზოგენური ციკლი ლიზისურ ციკლზე ნაკლებად თვალშისაცემია (და ნაკლებად „სისხლისმღვრელი“), მაგრამ, მთლიანობაში, ფაგისთვის ეს გამრავლების კიდევ ერთი გზაა.

შესაფერის პირობებში პროფაგს შეუძლია, აქტიური გახდეს და ბაქტერიული ქრომოსომიდან გამოვიდეს, რაც დასაბამს აძლევს ლიზისური ციკლის დარჩენილ საფეხურებს (დნმ-ის კოპირებასა და ცილების სინთეზს, ახალი ფაგის აწყობასა და ლიზისს).

სურათის წყარო „კონიუგაცია," ავტორი Adenosine (CC BY-SA 3,0). შეცვლილი სურათისთვის ლიცენზია აღებულია CC BY-SA 3,0 ლიცენზიის მიხედვით.

დაშლა?.. არდაშლა?

როგორ „წყვეტს“ ფაგი, ბაქტერიის დაინფიცირების შემდეგ ლიზისურ ციკლს მიმართოს, თუ - ლიზოგენურს? ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორია უჯრედში შეჭრილი ფაგების რაოდენობა

^{9}

. თანამაინფიცირებელი ფაგების დიდი რაოდენობა ზრდის იმის ალბათობას, რომ ინფექცია ლიზოგენურ ციკლს გამოიყენებს. ამ სტრატეგიის მეშვეობით ფაგები ახერხებენ თავიანთი მასპინძელი ბაქტერიების სრულიად განადგურებისგან თავის აცილებას (ისინი „არბილებენ“ იერიშს, თუკი ფაგების მასპინძელ უჯრედებთან შეფარდება ძალიან მაღალია)

^{10}

როდესაც ერთ ბაქტერიას რამდენიმე ფაგი აინფიცირებს, ეს იმაზე მეტყველებს (სტატისტიკურად), რომ არსებობს ბაქტერიული მასპინძლების სრული განადგურების საფრთხე

^{3}

ფაგებს, რომლებიც მრავალჯერადი ინფიცირების პასუხად ლიზოგენურ ციკლზე გადაერთვებიან, ნაკლებად აქვთ იმის საფრთხე, რომ მათი მასპინძელი უჯრედების რაოდენობა ამოიწურება, თვითონ მათი პოპულაცია კი „ამოწყდება“ (რადგან მათ სტრატეგიულად შეუძლიათ, შეწყვიტონ მასპინძელი უჯრედების მოკვლა, როდესაც მათი რაოდენობა დიდია). აღსანიშნავია, რომ როდესაც უჯრედს გენომში პროფაგი ჰყავს, იგი სხვა, იმავე ტიპის ფაგის მიერ ინფიცირებისგან იმუნიტეტს იძენს

^{4}

ამგვარად, გენეტიკურად დაპროგრამებული ტენდენცია იმისა, რომ ფაგი მრავალჯერადი ინფიცირების დროს ლიზოგენურ ციკლზე გადაერთოს, შესაძლოა, პრიორიტეტული ყოფილიყო ბუნებრივი გადარჩევის დროს (რაც ხსნის, იმას, თუ რატომ აქვთ ფაგებს ეს უნარი დღემდე).

რა უბიძგებს პროფაგს, დატოვოს ქრომოსომა და დაიწყოს ლიზისური ციკლი? ლაბორატორიულ პირობებში გამოჩნდა, რომ პოპულაციაში პროფაგების უმეტესობას რეაქტივაციისკენ უბიძგებს ფაქტორები, რომლებიც აზიანებს დნმ-ს, მაგალითად, ულტრაიისფერი გამოსხივება და ქიმიური ნივთიერებები. მიუხედავად ამისა, პროფაგების მცირე წილი პოპულაციაში სპონტანურადაც, ამ გარე სიგნალების გარეშეც იწყებს ლიზისს

^{7, 11}

ბაქტერიოფაგი და ანტიბიოტიკები

სანამ ანტიბიოტიკებს აღმოაჩენდნენ, მიმდინარეობდა მნიშვნელოვანი კვლევა ბაქტერიოფაგებზე, როგორც ადამიანთა ბაქტერიული დაავადებების სამკურნალო საშუალებაზე. ბაქტერიოფაგები უტევენ მხოლოდ თავიანთ მასპინძელ ბაქტერიებს და არა — ადამიანის უჯრედებს, ამიტომ ისინი ადამიანებში ბაქტერიული დაავადებების მკურნალობის პოტენციურად კარგი კანდიდატები არიან.

ანტიბიოტიკების აღმოჩენის შემდეგ ფაგების შესწავლა მსოფლიოს მრავალ ქვეყანაში შეწყდა (განსაკუთრებით ინგლისურენოვან ქვეყნებში). მიუხედავად ამისა, სამედიცინო მიზნებისთვის ფაგებს დღემდე იყენებენ რამდენიმე ქვეყანაში, მათ შორის რუსეთში, ჯორჯიასა და პოლონეთში

^{12, 13}

ვინაიდან ანტიბიოტიკებისადმი მდგრადი ბაქტერიების არსებობა უფრო და უფრო დიდი პრობლემა ხდება, კვლავ გაიზარდა ფაგების, როგორც სამკურნალო საშუალების, შესწავლისადმი ინტერესი. კვლევები ჯერ კიდევ საჭიროა იმის გასარკვევად, თუ რამდენად უსაფრთხო და ეფექტურია ფაგების გამოყენება, თუმცა ვინ უწყის? ერთ დღესაც შეიძლება, თქვენმა ექიმმა პენიცილინის ნაცვლად ფაგები დაგინიშნოთ!

სტატია ვრცელდება ლიცენზიით: CC BY-NC-SA 4,0.

ციტირებული შრომები:

ბაქტერიოფაგი. (28 აპრილი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 9 მაისი, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage.
ბაქტერიოფაგი MS2. (17 თებერვალი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 9 მაისი, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage_MS2.
Brüssow, H. and Hendrix, R. W. (2002). Phage genomics: Small is beautiful. Cell, 108(1), 13-16. http://dx.doi.org/10,1016/S0092-8674(01)00637-7.
Dimmock, N. J., Easton, A. J., and Leppard, K. N. (2016). Virus particles with head-tail morphology. In Introduction to modern virology (7th ed., p. 27). West Sussex, UK: John Wiley & Sons.
Pietilä, M. K., Laurinmäki, P., Russell, D. A., Ko, C.-C., Jacobs-Sera, D., Hendrix, R. W., Bamford, H., and Butcher, S. J. (2013). Structure of the archaeal head-tailed virus HSTV-1 completes the HK97 fold story. PNAS, 110(26), 10604-10609. http://dx.doi.org/10,1073/pnas.1303047110.
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P. (2002). Figure 5,81. The life cycle of bacteriophage lambda. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/figure/A893/?report=objectonly.
Holmes, R. K. and Jobling, M. G. (1996). Genome organization. In S. Barron (Ed.), Medical microbiology (4th ed.). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7908/#_A453_.
Rakonjac, J. (2012). Filamentous bacteriophages: Biology and applications. In eLS. Chichester, UK: John Wiley and Sons. http://dx.doi.org/10,1002/9780470015902.a0000777.
Maloy, S. (2003, November 12). The lysis-lysogeny decision by phage lambda. In Microbial genetics. წყარო: http://www.sci.sdsu.edu/~smaloy/MicrobialGenetics/topics/phage/lysis-lysogeny.html.
Abedon, S. T. (n.d.). Lytic-lysogeny decision. In Bacteriophage ecology group. წყარო: http://www.archaealviruses.org/terms/lytic_lysogeny_decision.html.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The lysogenic cycle. In Campbell biology (10th ed., p.398). San Francisco, CA: Pearson.
ფაგური თერაპია. (4 მაისი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 9 მაისი, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Phage_therapy.
Abedon, S. T., Kuhl, S. J., Blasdel, B. G., and Kutter, E. M. (2011). Phage treatment of human infections. Bacteriophage, 1(2), 66-85. http://dx.doi.org/10,4161/bact.1,2.15845.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია:

Acheson, N. H. (2007). Bacteriophages. In Fundamentals of Molecular Virology. (1st ed., pp. 71-79). Hoboken, NJ: Wiley.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P. (2002). Conservative site-specific recombination can reversibly rearrange DNA. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/#_A890_.

ბაქტერიოფაგი. (28 აპრილი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 9 მაისი, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage.

ლამბდა-ფაგი. (10 მარტი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 9 მაისი, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda_phage.

OpenStax College, Biology. (29 დეკემბერი, 2015). Viruses. In OpenStax CNX. წყარო: https://cnx.org/contents/5ewKI2TO@3/Viruses.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2003). Bacteriophage reproduce by a lytic cycle or a lysogenic cycle. In Life: the science of biology (7th ed., pp. 259-261). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Raven, P. H. and Johnson, G. B. (2002). Bacterial viruses exhibit two sorts of reproductive cycles. In Biology (6th ed., pp. 668-669). Boston, MA: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Replicative cycles of phages. In Campbell biology (10th ed., pp. 396-398). San Francisco, CA: Pearson.

Swiss Institute of Bioinformatics. (2016). Viral latency. In ViralZone. წყარო: http://viralzone.expasy.org/all_by_protein/3970.html.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.