Вопрос 24-25. Бактериофаги. Взаимодействие фага с бактериаль¬ной клеткой. Умеренные и вирулентные бактериофаги. Лизогения.

Бактериофаги — вирусы бактерий, обладающие способностью специфически про¬никать в бактериальные клетки, репродуцироваться в них и вы¬зывать их растворение (лизис).

Взаимодействие фага с бактериальной клеткой. По механизму взаимодействия различают вирулентные и умеренные фаги.

Ви¬рулентные фаги, проникнув в бактериальную клетку, авто¬номно репродуцируются в ней и вызывают лизис бактерий. Про¬цесс взаимодействия вирулентного фага с бактерией протекает в виде нескольких стадий и весьма схож с процессом взаимодей¬ствия вирусов человека и животных с клеткой хозяина. Однако для фагов, имеющих хвостовой отросток с сокращающим¬ся чехлом, он имеет особенности. Эти фаги адсорбируются на по¬верхности бактериальной клетки с помощью фибрилл хвостово¬го отростка. В результате активации фагового фермента АТФазы происходит сокращение чехла хвостового отростка и внедрение стержня в клетку. В процессе «прокалывания» клеточной стенки бактерии принимает участие фермент лизоцим, находящийся на конце хвостового отростка. Вслед за этим ДНК фага, содержаща¬яся в головке, проходит через полость хвостового стержня и ак¬тивно впрыскивается в цитоплазму клетки. Остальные структур¬ные элементы фага (капсид и отросток) остаются вне клетки.

После биосинтеза фаговых компонентов и их самосборки в бактериальной клетке накапливается до 200 новых фаговых ча¬стиц. Под действием фагового лизоцима и внутриклеточного ос¬мотического давления происходит разрушение клеточной стен¬ки, выход фагового потомства в окружающую среду и лизис бактерии. Один литический цикл (от момента адсорбции фагов до их выхода из клетки) продолжается 30—40 мин. Процесс бактериофагии проходит несколько циклов, пока не будут лизированы все чувствительные к данному фагу бактерии.

Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой характеризу¬ется определенной степенью специфичности. По специфичнос¬ти действия различают поливалентные фаги, способные взаимодействовать с родственными видами бактерий, моновалентные фаги, взаимодействующие с бактериями определенного вида, и типовые фаги, взаимодействующие с отдельными вариантами (типами) данного вида бактерий.

Умеренные фаги лизируют не все клетки в популяции, с частью из них они вступают в симбиоз, в результате чего ДНК фага встраивается в хромосому бактерии. В таком случае гено¬мом фага называют профаг. Профаг, ставший частью хромосо¬мы клетки, при ее размножении реплицируется синхронно с геном бактерии, не вызывая ее лизиса, и передается по наслед¬ству от клетки к клетке неограниченному числу потомков.

Био¬логическое явление симбиоза микробной клетки с умеренным фагом (профагом) называется лизогенией, а культура бакте¬рий, содержащая профаг, получила название лизогенной. Это название отражает способность профага самопроизвольно или под действи¬ем ряда физических и химических факторов исключаться из хро¬мосомы клетки и переходить в цитоплазму, т. е. вести себя как вирулентный фаг, лизирующий бактерии.

Лизогенные культуры по своим основным свойствам не от¬личаются от исходных, но они невосприимчивы к повторному заражению гомологичным или близкородственным фагом и, кроме того, приобретают дополнительные свойства, которые находятся под контролем генов профага. Изменение свойств мик¬роорганизмов под влиянием профага получило название фаго¬вой конверсии. Последняя имеет место у многих видов мик¬роорганизмов и касается различных их свойств: культуральных, биохимических, токсигенных, антигенных, чувствительности к антибиотикам и др. Кроме того, переходя из интегрированного состояния в вирулентную форму, умеренный фаг может захва¬тить часть хромосомы клетки и при лизисе последней перено¬сит эту часть хромосомы в другую клетку. Если микробная клет¬ка станет лизогенной, она приобретает новые свойства. Таким образом, умеренные фаги являются мощным фак¬тором изменчивости микроорганизмов.

2. Умеренные бактериофаги в отличие от ви¬рулентных взаимодействуют с чувствитель-ными бактериями либо по продуктивному, либо по интегративному типу. Продуктивный цикл умеренного фага идет в той же последовательности, что и у ви¬рулентных фагов, и заканчивается лизисом клетки. При интегративном типе взаимодейс¬твия ДНК умеренного фага встраивается в хромосому бактерии, реплицируется синх¬ронно с геномом размножающейся бактерии, не вызывая ее лизиса. ДНК бактериофага, встроенная в хромосому бактерии, называется профагом, а культура бактерий — лизогенной. Такое сосуществование бактерии и умерен¬ного бактериофага называется лизогенией (от греч. lysis — разложение, genea — происхож¬дение). Профаг, ставший частью хромосомы бактерии, при ее размножении передается по наследству потомкам.

Каким образом нуклеиновая кислота при¬соединяется к бактериальной хромосоме?После проникновения в бактерию ДНК уме¬ренного фага приобретает форму кольца, а затем интегри-рует по типу кроссинговера в строго определенную гомологичную область хромосомы клетки.

Итак, при лизогении образование фагового потомства не происходит. В основе «сдер-живающего» механизма репродукции фагов лежит образование в бактерии специфическо¬го ре-прессора — низкомолекулярного белка, подавляющего транскрипцию фаговых генов. Биосинтез репрессора детерминируется ге¬нами профага. Наличием репрессора можно объяснить способ-ность лизогенных бактерий приобретать иммунитет (невосприимчивость) к последующему зара-жению гомологичным или близкородственными фагами. Под им¬мунитетом в данном случае по-нимается такое состояние бактерии, при котором исключа¬ется процесс вегетативного размноже-ния вы¬шеуказанных фагов и лизис клетки. Однако термин «лизогения» отражает потенциальную возможность лизиса бактерии, содержащей профаг. Действительно, профаги некоторой части лизогенной культуры бактерий могут спонтанно (самопроизвольно) или направ¬ленно под дейст-вием ряда физических или химических факторов дерепрессироваться, исключаться из хромосомы, переходить в ве¬гетативное состояние. Этот процесс заканчи¬вается продукцией фагов и лизисом бактерий. Частота спонтанного лизиса бактерий в лизогенных культурах невелика (102, 10~6), т. е. не захватывает все клетки, обладающие иммуни¬тетом. Частоту лизиса бактерий можно значи-тельно увеличить, воздействуя на лизогенную культуру индуцирующими агентами (УФ-лучи, ионизирующее излучение, перекисные соеди¬нения, митомицин С и др.). Сам же фено¬мен воздействия, приводящий к инактивации репрессора, называется индукцией профага. Явление индукции используют в генной ин¬женерии. Однако спонтанный лизис лизогенных культур может нанести вред микробиоло¬гическому производству. Так, если микроорга¬низмы — продуценты биологически активных веществ оказываются лизогенными, сущест¬вует опасность перехода фага в вегетативное состояние, что приведет к лизису производс¬твенного штамма этого микроба.

Геном профага может придавать бактерии новые, ранее отсутствовавшие у нее свойс¬тва. Этот феномен изменения свойств мик¬роорганизмов под влиянием профага получил название фаговой конверсии (от лат. conver-sio— превращение). Конвертироваться могут морфологические, культу-ральные, биохими¬ческие, антигенные и другие свойства бакте¬рий. Например, наличие профага в дифтерий¬ной палочке обусловливает ее способность продуцировать дифтерийный экзотоксин.

Умеренные фаги могут быть дефектными, т. е. неспособными образовывать зрелые фа¬говые частицы ни в естественных условиях, ни при индукции. Геном некоторых умеренных фагов (Р1) может находиться в цитоплазме бактериальной клетки в так называемой плаз-мидной форме, не включаясь в ее хромосому. Такого рода умеренные фаги используют в качестве векторов в генной инженерии.