Бактериофаг P2 - Bacteriophage P2

Вирус эшерихии P2
PhageP2.jpg
Классификация вирусов е
(без рейтинга):Вирус
Область:Дуплоднавирия
Королевство:Heunggongvirae
Тип:Уровирикота
Учебный класс:Caudoviricetes
Заказ:Caudovirales
Семья:Myoviridae
Род:Педуовирус
Разновидность:
Вирус эшерихии P2

Бактериофаг P2, научное название Вирус эшерихии P2,[1] это умеренный фаг что заражает Кишечная палочка. Это хвостатый вирус со сократительной оболочкой, поэтому его классифицируют в роду Педуовирус (ранее P2likevirus), подсемейство Peduovirinae, семья Myoviridae в порядке Caudovirales. Этот род вирусов включает множество P2-подобных фагов, а также фаг-спутник P4.[2]

Открытие

Бактериофаг P2 был впервые выделен Г. Бертани из штамма Лиссабон и Каррер Кишечная палочка в 1951 г.[3] С того времени было выделено большое количество P2-подобных профагов (например, 186, HP1, HK239 и WΦ), которые имеют общие характеристики, такие как диапазон хозяев, серологическое родство и неспособность рекомбинировать с фаг λ, и они казались довольно обычными в Кишечная палочка популяции как около 30% штаммов в Кишечная палочка справочная коллекция (SABC) содержит P2-подобные профаги.[4] Из этих P2-подобных профагов P2 лучше всего охарактеризован. Было обнаружено, что фаг P2 способен размножаться во многих штаммах Кишечная палочка, а также у штаммов многих других видов, включая Серратия, Клебсиелла пневмонии, и Иерсиния зр[5] что предполагает, что он играл важную роль в горизонтальный перенос генов в бактериальной эволюции.

Геном и морфология

Фаг P2 имеет двухцепочечный ДНК геном упакован в икосаэдр капсид диаметром 60 нанометров, который соединен с хвостом длиной 135 нанометров. Присутствие фага P4 может заставить P2 образовывать более мелкие капсиды.[6] Хвост заканчивается базовой пластиной, которая является центром контроля инфекционности фага. Базовая пластина включает 6 хвостовых волокон, которые первоначально связываются с рецепторами на стенке бактериальной клетки, и белок шипа хвоста, который впоследствии необратимо связывается с другими рецепторами на клеточной стенке.

Геном бактериофага P2 состоит из 33 592 п.н. двухцепочечной линейной ДНК с липкими концами (номер доступа AF063097). 42 гена в геноме можно разделить на три основные категории: (i) гены, необходимые для литического роста, (ii) гены, участвующие в создании и поддержании лизогения (Такие как int и C) и (iii) несущественные гены (включая старый, жесть и Z / весело). Кроме того, ряд открытые рамки для чтения (ORF) обнаружен в геноме P2, который может кодировать функциональные белки.[5]

Жизненный цикл

Бактериофаг P2 является фагом умеренного климата, что означает, что он может размножаться литически (т. Е. Направлять клетку-хозяин для производства потомства фага и, наконец, лизировать хозяина, когда потомство фага выходит), а также устанавливать лизогению (т.е. вводить и объединять свой генетический материал в геном хозяина без лизирования клетки) и поддерживать как профаг в геноме хозяина.

Инфекционное заболевание

Адсорбция вириона в клетке-хозяине является ключевым этапом фаговой инфекции, которая необходима для последующего связывания фага и инъекции фаговой ДНК. Во время процесса адсорбции хвостовое волокно фага P2 распознает и связывается с центральной областью липополисахарида Кишечная палочка, а затем фаг вводит свою ДНК в цитоплазму.[5][7]

Литический цикл

Ранняя транскрипция

Экспрессия гена P2 регулируется во время литического цикла. Ранняя транскрипция, которая отвечает за экспрессию генов, необходимых для последующей репликации ДНК, начинается сразу после заражения. Рано оперон содержит 9 генов и транскрибируется из литического промотор Pe. Первый ген в опероне, обозначенный рулевой, 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. Только хост σ70 РНК-полимераза необходима на раннем этапе транскрипции.[9]

Репликация ДНК

Помимо рулевой, ранний оперон содержит два других гена, которые необходимы для репликации ДНК P2, гены А и B.[10][11] Репликация генома P2 инициируется белком A и происходит из фиксированного источника (Ори) через модифицированный механизм катящегося круга, который генерирует двухцепочечные мономерные круги.[12][13] Белок B может потребоваться для синтеза отстающей цепи, поскольку он может взаимодействовать с E. coli DnaB и функционировать как геликаза погрузчик.[14]

Активация поздней транскрипции

Поздняя транскрипция гена инициируется с четырех поздних промоторов после начала репликации ДНК и экспрессии активатора транскрипции Ogr.[15][16] Поздние промоутеры, Pп, ПО, ПV и PF, активируются Ogr и управляют транскрипцией генов, ответственных за литические функции, а также кодируют строительные блоки для фаговых потомков.[5][17][18] Все четыре промотора имеют область с частичной диадной симметрией с центром примерно в 55 п.н. ниже сайта инициации транскрипции. Выявленная с помощью делеционного анализа и замен оснований эта диадная симметрия, как было показано, важна 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]

Лизис

Во время литического цикла, как и другие двухцепочечные фаги, бактериофаг P2 применяет систему холин-эндолизин для лизиса клетки-хозяина. P2 имеет два основных гена лизиса (ген K и ген Y) и два дополнительных гена лизиса (lysA и lysB).[9][22] Продукт гена К имеет большое сходство аминокислотной последовательности с последовательностью гена R в фаге λ, который проявляет функцию эндолизина и атакует гликозидную связь. Ген Y кодирует полипептид, имеющий большое сходство с семейством белков холина, который образует «дыры» в клеточной мембране и обеспечивает путь выхода эндолизина к клеточной стенке. Несущественные гены, lysA и lysB, похоже, играют роль в контроле правильного времени лизиса.[23]

Лизогенный цикл

Интеграция профага

Во время лизогенного цикла геном P2 встраивается в хромосому хозяина и сохраняется как профаг. Интеграция предполагает сайт-специфическая рекомбинация между местом прикрепления бактерий (attB) и сайт прикрепления фага (attP), который создает соединения фага-хозяина, attL и attR. Эта реакция контролируется интегразой, кодируемой фагом, и не приводит ни к увеличению, ни к потере нуклеотидов.[9] Другой фактор интеграции, IHF, также важен в процессе интеграции и служит архитектурным белком, который связывает и изгибает ДНК.[16][24] Таким образом, механизм интеграции фага P2 аналогичен хорошо изученной системе сайт-специфической рекомбинации λ, но фаговые белки и их сайты связывания ДНК различаются.[9][25]

Поддержание лизогении

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 А. Исследования показали, что репрессор C может как положительно, так и отрицательно регулировать свой собственный промотор Pc, поскольку Pc активируется при низком уровне C и снижается на высоких уровнях.[16][26] Поскольку репрессор C не инактивируется системой SOS / RecA Кишечная палочкапрофаг P2 не индуцируется ультрафиолетовым облучением. Более того, даже если репрессор C инактивирован, профаг P2 не может вырезать из-за отсутствия int выражение.[5][27] Следовательно, P2 рассматривается как прототип класса невосприимчивых фагов умеренного климата.[9] Механизм того, как P2 решает парадокс индукции-вырезания, все еще остается неизвестным.

Контроль литического роста по сравнению с лизогенным

Как указывалось ранее, при инфицировании фаг P2 может вступать в литический или лизогенный цикл. Решение о литическом / лизогенном инфицировании зависит от того, какой промотор принимает 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 являются взаимоисключающими. Промотор Pe управляет транскрипцией белка Cox, который репрессирует промотор Pc и тем самым предотвращает лизогенизацию, а промотор Pc управляет транскрипцией репрессора C, который подавляет регуляцию Pe.[5][26][28] Таким образом, предполагается, что какой промотор принимает управление, является следствием относительных концентраций белка Цокс и репрессора С. Если баланс между C-репрессором и белками Cox смещается в сторону C-репрессора после инфицирования, то фаг войдет в лизогенный жизненный цикл, поскольку промотор Pe будет отключен, и наоборот.[16]

Эволюция бактериофага P2 и других P2-подобных фагов

Множество исследований показали, что геномы фагов состоят как из генов, похожих на гены хозяина или других фаговых генов, так и из новых генов, которые мало похожи на какие-либо известные гены.[9][29][30] Семейство P2-подобных фагов не является исключением. Их геномы очень похожи, но каждый из них содержит уникальные гены, в том числе некоторые из них, функции которых остаются неизвестными. На основании критерия, предложенного Аккерманом, многие фаги можно таксономически классифицировать как P2-подобные, поскольку они имеют общие черты с фагом P2,[31] но до сих пор доступно только 6 полных геномов (P2, 186, ΦCTX, HP1, HP2 и K139).[9]

Филогенетическое родство 6 секвенированных P2-подобных фагов

При сравнении всего генома было обнаружено, что только девять поздних генов (соответствующих генам H, L, M, N, O, P, Q, S, T в фаге P2) и ген интегразы генетически сходны и присутствуют во всех 6 полных секвенированных геномов. Филогенетические деревья на основе аминокислотных последовательностей 9 продуктов поздних генов конструируются отдельно, и все они демонстрируют идентичную топологию, что предполагает, что они могут иметь одинаковую историю эволюции. Более того, эти 9 поздних генов, вероятно, будут унаследованы клонально, поскольку нет никаких указаний на основные события рекомбинации между ними для какой-либо пары фагов. Однако для остальных генов, помимо этих девяти, их филогенетические отношения часто неоднозначны, и их эволюционная история трудно разрешить.[9]

Гомологичная и негомологичная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация играет более важную роль в нуклеотидных изменениях фага P2, чем мутация, что неудивительно, так как P2-подобные профаги преобладают в Кишечная палочка Между геномами хозяина происходит популяционный и генетический обмен.[9][32] Секвенирование пяти поздних генов из 18 изолятов P2-подобных фагов продемонстрировало, что гомологичная рекомбинация является обширной и происходит случайным образом в нескольких точках разрыва. Генетические вариации поздних генов 18 близких родственников невелики, так как наибольшая разница в любом гене составила всего 3,7%. Поскольку было гораздо больше вариаций в положениях синонимичных, а не несинонимичных третьих кодонов, эти поздние гены, вероятно, будут подвергаться довольно сильному стабилизирующему отбору.[9][33]

Помимо гомологичной рекомбинации между родственными фагами, негомологичная рекомбинация также является ключевым механизмом эволюции фагов. Высокий уровень сходства генов хвостовых волокон фага P2, P1, Му, λ, K3 и Т2, которые принадлежат к разным семействам, указывает на ранее недооцененный уровень негомологичной рекомбинации между неродственными фагами. Поскольку круг хозяев фага в значительной степени определяется хвостовым волокном, это открытие предполагает, что при селективном давлении фаги, вероятно, изменят круг своих хозяев, используя доступный им генофонд.[7][9]

Вклад в эволюцию своего хозяина

Возможность переключения между литическим и лизогенным жизненным циклом очень полезна для выживания фага. В большой плотной популяции изогенных хозяев предпочтительна литическая стратегия, и вирулентность фага, а также механизмы защиты хозяина будут развиваться в виде гонки вооружений. Напротив, лизогения является предпочтительной, когда плотность клеток-хозяев недостаточно высока для поддержания плотности фагов посредством повторяющихся циклов литических инфекций.[34]

Хорошо известно, что фаг P2 может опосредовать горизонтальный перенос генов при инфицировании 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 через мутации и отбор, генетические изменения, опосредованные фагами, могут повлиять на радикальные изменения метаболизма и физиологии бактерий в течение короткого времени, и они могут придать приспособленность своим хозяевам. Например, Эдлин и др. обнаружил, что лизогенный Кишечная палочка профаг, имеющий λ, P1, P2 или Mu, может расти быстрее, чем его нелизогенный аналог в условиях ограниченного количества питательных веществ.[35][36] Кроме того, было показано, что профаг P2 может способствовать распространению токсинов, расширяющих цитолеты, среди Кишечная палочка O157 штаммов и способствуют расширению их ниш среди различных животных-хозяев, что позволяет по-новому взглянуть на патогенез Кишечная палочка O157.[37]

Рекомендации

  1. ^ "История таксономии ICTV: Вирус эшерихии P2". Международный комитет по таксономии вирусов. Получено 2019-01-14.
  2. ^ Bowden, DW; Модрич, П. (10 июня 1985 г.). «Созревание in vitro кольцевой ДНК бактериофага P2. Очистка компонентов ter и характеристика реакции». Журнал биологической химии. 260 (11): 6999–7007. PMID  2987239.
  3. ^ Бертани, Г., ИССЛЕДОВАНИЯ ЛИЗОГЕНЕЗА I. Способ высвобождения фагов лизогенными Escherichia coli1. Журнал бактериологии, 1951. 62(3): стр. 293.
  4. ^ Нильссон, А.С., Дж. Л. Карлссон, Э. Хаггорд-Юнгквист, Сайт-специфическая рекомбинация связывает эволюцию P2-подобных колифагов и патогенных энтеробактерий. Молекулярная биология и эволюция, 2004. 21(1): стр. 1-13.
  5. ^ а б c d е ж Haggård-Ljungquist, E., C. Halling, and R. Calendar, Последовательности ДНК генов волокон хвоста бактериофага P2: свидетельство горизонтального переноса генов волокон хвоста между неродственными бактериофагами. Журнал бактериологии, 1992. 174(5): стр. 1462-1477.
  6. ^ Дирборн, AD; Laurinmaki, P; Chandramouli, P; Роденбург, CM; Ван, S; Мясник, SJ; Докланд, Т (9 апреля 2012 г.). «Определение структуры и размера прокапсидов бактериофагов P2 и P4: функция мутаций размерной чувствительности». Журнал структурной биологии. 178 (3): 215–24. Дои:10.1016 / j.jsb.2012.04.002. ЧВК  3361666. PMID  22508104.
  7. ^ а б Haggård-Ljungquist, E., C. Halling, and R. Calendar, Последовательности ДНК генов хвостовых волокон бактериофаг P2: доказательства горизонтального переноса генов хвостовых волокон между неродственными бактериофагами. Журнал бактериологии, 1992. 174(5): стр. 1462-1477.
  8. ^ Саха, С., Э. Хаггорд-Юнгквист и К. Нордстрем, Белок cox бактериофага P2 ингибирует образование белка-репрессора и саморегулирует ранний оперон. Журнал EMBO, 1987. 6(10): с. 3191.
  9. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п Нильссон А. и Э. Хаггорд-Юнгквист. Р2-подобные бактериофаги. В календаре Р. (ред.), Бактериофагах. Oxford Press, Oxford, 2005: с. 365–390
  10. ^ Линдаль, Г., Генетическая карта бактериофага P2. Вирусология, 1969. 39(4): стр. 839-860
  11. ^ Линдквист, Б.Х., Вегетативная ДНК умеренного колифага P2. Молекулярная и общая генетика, 1971. 110(2): стр. 178–196.
  12. ^ Лю, Ю. и Э. Хаггард-Юнгквист, Исследования репликации ДНК бактериофага Р2: локализация сайта расщепления белка А. Исследование нуклеиновых кислот, 1994. 22(24): с. 5204-5210.
  13. ^ Одегрип, Р. и Э. Хаггорд-Юнгквист, Два тирозиновых остатка в активном центре белка А играют неэквивалентные роли во время инициации репликации по катящемуся кругу бактериофага P2. Журнал молекулярной биологии, 2001. 308(2): стр. 147-163.
  14. ^ Одегрип Р. и др., Взаимодействие белка бактериофага P2 B с Escherichia coli DnaB геликаза. Журнал вирусологии, 2000. 74(9): стр. 4057-4063.
  15. ^ Вуд, Л.Ф., Цзин Н.Ю., Дж. Э. Кристи, Активация поздней транскрипции P2 белком P2 ogr требует дискретного сайта контакта на С-конце α-субъединицы РНК-полимеразы Escherichia coli. Журнал молекулярной биологии, 1997. 274(1): стр. 1-7.
  16. ^ а б c d е Мандали, С., Зависит от сайта рекомбинация P2-подобных фагов; возможные инструменты для безопасной генной терапии: акцент на фаге ΦD145. 2010.
  17. ^ Биркеланд, Н.К. и Б. Линдквист, Колифаг P2 позднего контрольного гена ogr: последовательность ДНК и идентификация продукта. Журнал молекулярной биологии, 1986. 188(3): стр. 487-490.
  18. ^ Кристи, Г.Е. и др., Регуляция экспрессии позднего гена бактериофага P2: ген ogr. Труды Национальной академии наук, 1986. 83(10): с. 3238-3242.
  19. ^ Grambow, N.J., et al., Делеционный анализ позднего промотора бактериофага P2. Джин, 1990. 95(1): стр. 9-15.
  20. ^ Ван Боккелен, Г. и др., Мутационный анализ позднего промотора бактериофага Р4. Журнал бактериологии, 1991. 173(1): стр. 37-45.
  21. ^ Клерч Б., Э. Ривера и М. Ллагостера, Бактериофаг PSP3 и белки-активаторы phi R73: анализ специфичности промоторов. Журнал бактериологии, 1996. 178(19): с. 5568-5572.
  22. ^ Зирманн, Р. и др., Функции, вовлеченные в индуцированный бактериофагом P2 лизис клетки-хозяина и идентификацию нового хвостового гена. Журнал бактериологии, 1994. 176(16): с. 4974-4984.
  23. ^ Zimecki, M., et al., Бактериофаги обеспечивают регуляторные сигналы в индуцированной митогеном пролиферации спленоцитов мышей. Cell Mol Biol Lett, 2003. 8(3): стр. 699-711.
  24. ^ Ю., А. и Э. Хаггорд-Юнгквист, Характеристика сайтов связывания двух белков, участвующих в системе сайт-специфической рекомбинации бактериофага P2. Журнал бактериологии, 1993. 175(5): стр. 1239-1249.
  25. ^ Лэнди, А., Динамические, структурные и регуляторные аспекты лямбда-сайт-специфической рекомбинации. Ежегодный обзор биохимии, 1989. 58(1): стр. 913-941.
  26. ^ а б Саха, С., Б. Лундквист и Э. Хаггорд-Юнгквист, Ауторегуляция бактериофага P2 репрессор. Журнал EMBO, 1987. 6(3): п. 809.
  27. ^ Бертани, Л.Е., Неудачная индукция бактериофага P2. Вирусология, 1968 год. 36(1): стр. 87-103.
  28. ^ Ю., А. и Э. Хаггорд-Юнгквист, Белок Цокс является модулятором направленности бактериофага P2. сайт-специфическая рекомбинация. Журнал бактериологии, 1993. 175(24): с. 7848-7855.
  29. ^ Ботштейн, Д., ТЕОРИЯ МОДУЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ БАКТЕРИОФАГОВ *. Анналы Нью-Йоркской академии наук, 1980. 354(1): стр. 484-491.
  30. ^ Хендрикс, Р.В. и др., Эволюционные отношения между различными бактериофагами и профагами: фаг во всем мире. Труды Национальной академии наук, 1999. 96(5): стр. 2192-2197.
  31. ^ Аккерманн, Х.-В., Хвостатый бактериофаги: отряд Caudovirales. Достижения в вирусных исследованиях, 1999 г. 51: п. P135-P202.
  32. ^ Фейл, Э.Дж. и др., Рекомбинация в естественных популяциях патогенных бактерий: краткосрочные эмпирические оценки и долгосрочные филогенетические последствия. Труды Национальной академии наук, 2001. 98(1): стр. 182-187.
  33. ^ Нильссон, А. и Э. Хаггорд-Юнгквист, Обнаружение гомологичной рекомбинации среди родственников бактериофага P2. Молекулярная филогенетика и эволюция, 2001. 21(2): стр. 259-269.
  34. ^ Нильссон, А. и Э. Хаггард-Юнгквист, Эволюция P2-подобных фагов и их влияние на эволюцию бактерий. Исследования в области микробиологии, 2007. 158(4): стр. 311-317.
  35. ^ Эдлин, Г., Л. Лин, Р. Кудрна, λ Лизогены E. coli воспроизводятся быстрее, чем нелизогены. 1975.
  36. ^ Эдлин, Г., Л. Лин и Р. Битнер, Репродуктивная пригодность лизогенов P1, P2 и Mu Escherichia coli. Дж. Вирол, 1977. 21(2): стр. 560-564.
  37. ^ Сваб Д. и др., Вариабельность последовательностей геномов P2-подобных профагов, несущих оперон V цитолетального расширяющегося токсина в Escherichia coli O157. Appl Environ Microbiol, 2013 г. 79(16): с. 4958-64.

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