Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Бактериофаги. Учебно-методическое пособие
.pdf
71
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФАГОВОЙ ИНФЕКЦИИ
Результаты исследований механизмов фаговой инфекции, от
механизмов репликации ДНК и транскрипции до сборки сложных
мультисубьединичных белковых структур, легли в основу наших
представлений о молекулярной биологии. Эта глава содержит общий обзор и
разнообразные примеры некоторых принципов взаимодействия фага и
хозяина на молекулярном уровне. Более подробную информацию о
конкретных фагах и особенностях этих процессов у разных вирусов можно
найти в книгах The Bacteriophages (Calendared., 2005; 1988), The Encyclopedia
of Virology (Granoff, Webster, 1999) и Molecular Biology of Bacteriophage T4
(Karametal., 1994), а также в других книгах, посвященных отдельным фагам,
или обзорных статьях (Milleretal., 2003b). Некоторые вопросы, такие как
распознавание хозяина и процесс инфекции, рассмотрены более подробно
вследствие недостатка обзорных статей по этой теме.
РАСПОЗНАВАНИЕ ХОЗЯИНА И АДСОРБЦИЯ
Хвостатые фаги распознают клетки своих хозяев благодаря
взаимодействию белков узнавания (детерминант адсорбции, адгезинов),
расположенных на их хвостах, с молекулами на поверхности клеток.
Некоторые фаги используют одну, центральную фибриллу как адгезии элемент, распознающий рецептор; другие обладают кластером из 3, 6 или 12
фибрилл, ассоциированных с хвостовой структурой. Адсорбция может
состоять из нескольких этапов, таких как обратимое связывание фибриллами,
отвечающими за первичное распознавание и правильное расположение
базальной пластинки, сопровождаемое необратимым связыванием различных
хвостовых белков с молекулами вторичного рецептора, как это показано для
колифага Т1 и Т4-подобных фагов. Потенциальные фаговые рецепторы
сильно отличаются у грамотрицательных бактерий и у грамположительных
(элементы пептидогликанов, тейхоевые и липотейхоевые кислоты клеточной
стенки и связанные с ними белки.

72
Компоненты любого секретируемого внешнего матрикса, такие как
полисахаридные К-антигены и белковые S-слои, также могут быть мишенями
для первоначального узнавания. Специфические фаговые адгезины часто
бывают сложными и изменчивыми, способными распознавать довольно
различные рецепторы на разных бактериях, подобно тому, как отмычка
способна открывать разные замки, что обсуждается ниже. Вдобавок фаги
могут изменять хозяйскую специфичность путем мутаций, а также за счет
внутри- и межвидовой рекомбинации, включая рекомбинации с
жизнеспособными или дефектными профагами, присутствующими в геноме
хозяина. Участки, кодирующие адгезины, таким образом, являются наиболее
вариабельными в геноме фага. Для понимания сложности взаимодействий с
потенциальными рецепторами хозяина полезно рассмотреть подробнее
природу поверхности клетки.
РАСПОЗНАВАНИЕ ФАГАМИ ГРАМОТРИЦАТЕЛЬНЫХ
БАКТЕРИЙ-ХОЗЯЕВ
Строение внешних мембран, являющихся главным отличительным
свойством грамотрицательных бактерий, было подробно рассмотрено в
обзорах Nikaido'1996; 2003) и GhuysencHakenbeck(1994). Внешняя мембрана
гораздо более про ницаема, чем внутренняя, в основном благодаря
разнообразным поринам: каждая клетка имеет до 200 тысяч этих белковых
каналов, которые неспецифическим путем позволяют проникать внутрь
мелким гидрофильным молекулам, но задерживают более крупные и
липофильные вещества благодаря заряженному центральному сужению
канала. Кроме поринов фаги используют разнообразные бактериальные
высокоафинные белковые рецепторы, которые катализируют специфический
перенос пирокатехолов, жирных кислот, витамина В12, молекул си- дерофоров
(бактериальных переносчиков железа) и т.д. Концентрации различных лигандспецифических рецепторных белков во внешней мембране белков
регулируются клеткой в завимости от условий внешней среды и наличия
веществ, которые они переносят.

73
В то время как внутренний листок внешней мембраны, как и
цитоплазматическая мембрана, состоит в основном из фосфолипидов фосфатидилэтаноламинов и фосфатидилглицеролов, внешняя часть этой
мембраны содержит около 3 миллионов молекул (в растущей клетке)
уникального липополисахарида (ЛПС), который состоит из трех частей. Его
проксимальный гидрофобный регион (липид А) содержит опорную структуру,
состоящую из N-ацетилглюкозамина (НАГ), также используемого
припостроении пептидогликана, с которой соединены 6-7 насыщенных
жирных кислот, углеводородные цепи которых формируют внешнюю часть
гидрофобного слоя мембраны. Длинные гидрофильные дистальные
полисахаридные цепи ЛПС, выступающие во внешнюю среду, формируют Оантиген. О-антигены многих бактерий обладают высокой изменчивостью и
используются при серотипировании бактерий (например, штаммов Е. coli).Оантигены играют определенную роль во взаимодействии с млекопитающимхозяином. Эти два региона ЛПС соединены центральным (кор)
полисахаридом, заряженная фосфорилированная проксимальная часть
которого защищает клетку от различных гидрофобных соединений - от
антибиотиков до желчных солей. Многие лабораторные штаммы, включая Е.
coliК12, потеряли дистальный полисахаридный О-антиген; Е. coliВ,
лабораторный штамм, широко используемый для работы с фагами, потерял
даже большую часть дистального края кор-региона. Часто грамотрицательные
бактерии также окружены капсульным полисахаридом (К-антиген) или слоем
слизи. Некоторые из этих инкапсулированных штаммов обладают высокой
инвазивностью и вирулентностью для своих млекопитающих-хозяев.
Некоторые фаги взаимодействуют с разнообразными компонентами
ЛПС, другие - с мембранными белками, а третьи обладают комплексом
адгезинов, которые могут опознать рецепторы обоих типов. Например, ОтрА
является рецептором для Т4-подобных фагов КЗ, 0x2 и Ml. LamB,
индуцибельный белок транспорта мальтозы, служит рецептором для обычного
лабораторного штамма фага лямбда (ƛ), который хорошо адсорбируется

74
только на клетках, растущих в присутствии мальтозы. Т5, Т1 и лямбдоидный
фаг φ80 связываются с белком FhuA(ТопА) размером 79 килодальтон,
минорным мембранным протеином, присутствующим в количестве всего
лишь около 103 копий на клетку. Этот белок катализирует перенос комплексов
железа с сидерофорами, такими как феррихром и альбомицин, через внешнюю
мембрану, получая энергию через трансперип- лазматический белковый
комплекс, связанный с внутренней мембраной. Даже белок NfrA,
присутствующий в количестве всего лишь 5 копий на клетку, функционирует
как рецептор для колифага N4, хотя его исходная функция в клетке остается
неизвестной (KazmierczakandRothman-Denes, 2005). Необходимы дальнейшие
исследования для выяснения уровня влияния внешних и внутренних
физиологических факторов на связывание фага с имеющимся на клетке
рецептором. Например, Gabigс соавторами (2002) обнаружил, что адсорбция
фагов 7, Р1 и Т4 сильно подавляется физиологическими концентрациями
желчных солей и углеводов, но только на тех штаммах Е. coli,у которых
подавлена продукция Ag43 - поверхностного адгезина, экспрессия которого
регулируется по типу фазовых вариаций. Ингибирование адсорбции исчезает,
если рецепторный белок синтезируется в повышенных количествах с
плазмиды, или в присутствии избытка Mg2+для к и Т4, или Са2+ для Р1, что
подчеркивает важную роль бивалентных катионов для адсорбции многих
фагов. Ag43 вовлечен в процесс агрегации бактерий и образований биопленок;
изменения чувствительности кишечных бактерий к фагам может быть, как
минимум, одной биологической функцией, следующей из их способности
переходить в разные фазы жизненного цикла, которая должна учитываться
при развитии методов фаговой терапии для кишечных бактерий, как это
обсуждали Wegrzynи Thomas(2002). По их предположениям, данное
подавление адсорбции может быть даже полезно при использовании фагов в
качестве лекарственных препаратов противтаких патогенов, как
уропатогенная Е. coliдля ограничения их действия на нормальную кишечную
флору.

75
Также существуют фаги, которые специфичны к полисахаридным Кантигенам гликокаликса. Это обычно подовирусы с ферментативноактивными хвостовыми шипами, которые способны гидролизовать
полисахариды, прокладывая путь к мембране клетки, содержащей рецептор
для необратимого связывания, как показано для фага φ, инфицирующего
инкапсулированнуюЕ. coliК29 (Lindberg, 1977). О-антигены также могут
распознаваться фаговыми адгезинами или служить помехой для доступа к
сайтам связывания, расположенным в нижележащих слоях, замедляя или
блокируя адсорбцию фагов и непосредственно влияя на эффективность
инфекции. Фаг Р22 Salmonellaобходит эту проблему благодаря хвостовому
шипу, который является эндогликозидазой, гидролизующей полисахариды
ЛПС, а не только связывающим протеином. Он откусывает О-антиген и
облегчает связывание с медиальной частью мембраны. Некоторые хвостатые
фаги, такие как сальмонельный фаг χ, даже используют в качестве ре цепторов
жгутики и пили (Ackermann, DuBow(1987). Эти структуры обычно используют
для адсорбции нитчатых и других, бесхвостых, фагов.
Многие фаги грамотрицательных бактерий обладают плейотропными
адге- зинами, способными распознавать широкий спектр различных молекул
внешней мембраны. Например, OmpFявляется рецептором для Т4-подобных
фагов Tulaи Т2; последний способен также узнавать белок FadL, переносящий
жирные кислоты. Рецепторы, узнаваемые данным адгезином, могут быть даже
различных типов: например, Т4 эффективно связывается с терминальным
остатком глюкозы ЛПС Е. coliВ-типа. Также Т4 эффективно связывается с
белком внешней мембраны ОтрС, который найден у К, но не у штаммов Е. coli.
E.coli0157 обладает различными формами ОтрС, которые не распознаются Т4,
но являются рецепторами для Т4-подобных фагов РР01 (Odaetal., 2004) и AR1
(Yuetal., 2000).
Ни PPOl, ни AR1 не адсорбируются на стандартных лабораторных
штаммах К12 или В, и долгое время этих фагов считали специфичными для
0157, пока Goodridgeс соавторами (2003) не показали, что AR1 может

76
инфицировать около половины из 72 штаммов из коллекции Е. coli (ECOR),
выбранной для представления разнообразия естественных изолятов кишечной
палочки (OchmanandSelander, 1984). Лаборатория Kutterпоказала, что РР01
также инфицирует 9 из 72 ECORштаммов (Muelleretal., 2003).
Предположительно, AR1 распознает какие-то дополнительные рецепторы, а
не только ОтрС.
РАСПОЗНАВАНИЕ ФАГАМИ ГРАМПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ
БАКТЕРИЙ-ХОЗЯЕВ
К настоящему моменту мало известно о специфических адгезинах
фагов, инфицирующих грамположительных бактерий, или о рецепторах, с
которыми они связываются. Существуют большие различия в свойствах
доступного слоя пептидогликана, вызванные высокой вариабельностью в
аминокислотах, используемых для построения пептидов этого полимера у
разных бактерий и в характере межпептидных связей, соединяющих пептиды
из различных гликановых тяжей в различных слоях объемной общей массы
клеточной стенки; также имеются вариации в строении тейхоевых кислот.
Разнообразные белки клеточной стенки связаны с клеткой посредством
специфической С-концевой якорной последовательности или как N-концевые
липопротеины; эти белки разнообразными путями взаимодействуют с
окружающей средой; самый известный среди них - стафилококковый протеин
А, который связывается с константным регионом IgGи является одним из
факторов патогенности золотистого стафилококка.
Duplessisи Moineau(2001) опубликовали первую работу по
идентификации и описанию фагового гена, участвующего в распознавании
грамположительной бактерии для фага DT1 с полностью известным геномом,
и группы из шести родственных вирулентных фагов с различными хозяйскими
спектрами в рамках вида Streptococcusthermophilus.Они установили, что
orflSDT1 кодирует адгезии, который обладает N-концевым доменом из
примерно 500 аминокислот, коллагеноподобной последовательностью и
другим, в большой степени консервативным, С-концевым доменом с

77
внутренним вариабельным участком (VR2) в 145 а.к. Два из оставшихся фагов
обладают дополнительным 400-нуклеотидным сегментом, вставленным в
коллагеноподобный участок. Исследователи создали химеру между orfl8фага
DT1, который инфицирует 10 их штаммов, и MD4, который поражает один
другой штамм. Используя фага DT1 для инфицирования хозяина, в котором
присутствовала плазмида с клонированными генами 17-19 фага MD4,
исследователи создали пять рекомбинантных фагов, которые обладали
хозяйским спектром фага MD4; все пять содержали MD4 версию участка VR2,
но в остальном повторяли DTI. Ravinetal. (2002) показали, что специфичность
адсорбции фага LL-Hс изометричной головкой и фага JCL1032 с вытянутой
головой к их хозяину Lactobacillusdelbrueckiiзависит от консервативного С-
концевого участка в белке Gp71 фага LL-Hи ORF474 у фага JCL1032.
Stuer-Lauridsen (2003) использовал похожий подход для изучения
элементов четырех вирулентных фагов с вытянутыми головками (виды с2) из
Lactococcuslactis.И в этом случае фаги также имели перекрывающиеся
хозяйские спектры. Они сначала обратимо распознавали специфичные
комбинации углеводов на внешней клеточной стенке, после чего необратимо
связывались с белком на поверхности хозяина, получившим название БФИ,
или белок фаговой инфекции (PIP- phageinfectionprotein). Этот белок не нес
никакой другой известной функции, кроме активации процесса
высвобождения ДНК из капсида. Используя полностью секвенированные
геномы фагов ис2 и 0bIL67, а также последовательности наименее
консервативных участков поздних регионов других фагов, авторы показали,
что элемент, определяющий хозяйскую специфичность, - это центральный
сегмент размером в 462 нуклеотида из гена(названного 115, 35,и 2 у трех
разных фагах), обладавший 65-71% попарного сходства между ними. В то
время как большая часть генов на этом участке генома демонстрирует
отсутствие гомологий с неродственными фагами, части элемента,
определяющего хозяйскую специфичность, гомологичны генам фагов S.
thermophilusи L. lactis,которые тоже вовлечены в процесс распознавания

78
соответствующих бактерий-хозяев. Продукт гена, расположенного рядом,
110/31/5, с 83-95% схожести, как это было показано ранее, отвечает за
присоединение хвостового шипа и, видимо, вовлечен в процесс инфекции;
авторы не смогли клонировать этот второй ген в челночный вектор, возможно,
потому, что он отвечает за связывание ФИБ и помогает переносу ДНК в
клетку.
Это, очевидно, весьма многообещающая модельная система для
дальнейшей работы. Для фага и29 Guoetal. (2003) показал, что ген 12, чей
белковый продукт формирует 12 димероввокруг шейки фага, необходим для
сборки фаговой частицы, способной связываться с рецептором,
следовательно, кодирует адгезии.
МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ СПЕКТРОВ ХОЗЯЕВ
Часто обнаруживают фагов, инфицирующих какой-либо отдельный вид
бактерий, но обладающих довольно разным спектром хозяев.
Гипервариабельность и рекомбинации адгезинов широко распространены, что
объясняет развитие вариантов фага, поражающих разные бактериальные
штаммы или же, с другой стороны, устойчивых штаммов бактерий. Это
означает, что может оказаться возможным легко получить фагов,
эффективных для терапевтических целей с помощью отбора (если спонтанное
возникновение фагов, инфицирующих нужный штамм, происходит с заметной
частотой) или с помощью молекулярной инженерии адгезинов. Значительное
количество экспериментальных данных дает возможность проанализировать
механизмы, которые быстро создают новые адгезины и меняют хозяйскую
специфичность фагов.
Мутации и внутривидовые рекомбинации
У множества Т4-подобных фаговрецептор-связывающий регион
расположен на маленьком белке gp38, который присоединен своим
дистальным концом к gp37, как указывают Henningи Hashemolhosseini(1994).
Высоко консервативные участки фланкируют гипервариабельный регион;
путем серий мутаций в этом регионе фаг 0x2 мог переключаться с

79
распознавания ОшрА на ОтрС или на ОтрР, или на ЛПС Е. coliВ (который
обладает двумя терминальными остатками глюкозы), или же на другой ЛПС с
единственной глюкозой. Интересно, что некоторое ослабленное сродство к
другим рецепторам сохранялось фагом на различных этапах Большая часть
изменений появилась во второй из четырех потенциальных «омега-петель»
(рис 7.5), расположенных между консервативными участками из более чем
девяти глицинов в гипервариабельной части. Предполагается, что эти петли
образуют собственно рецептор-связывающий регион; организация этого
участка обладает любопытным сходством с антиген-связывающими
участками антител, генетическая пластичность которых отвечает за
образование взаимодействующих поверхностей, комплементарных тому или
иному антигену (Mianetal., 1991). Разнообразные эксперименты показали
возможность изменения специфичности рецептора путем рекомбинаций
между рецептор-связывающими участками фибрилл различных Т4-подобных
фагов, которые создают комбинаторные библиотеки этих гипервариабельных
регионов; возможности тут кажутся бесконечными (Tetartetal., 1996;
Tetartetal., 1998).
РЕОРГАНИЗАЦИЯ АДГЕЗИНОВ ПУТЕМ МЕЖРОДОВЫХ
РЕКОМБИНАЦИЙ
Анализ геномов позволил предположить, что многие фаги получили
свои адгезины путем латерального переноса генов и их фрагментов (белковых
доменов). Haggard-Ljungquist(1992) продемонстрировал, что хвостовая
фибрилла колифага Р2 содержит участки, очень сходные с белками хвостовых
фибрилл широко распространенных фагов PI, Mu, 1, КЗ, и Т2; многие другие
авторы отметили подобное сходство адгезинов у других фагов (Schwarzetal.,
1983; Sandmeieretal., 1992; 1994). У фага P2 упомянутое выше сходство
последовательностей было обнаружено и в гене Н,который кодирует белок
хвостовой фибриллы, и в гене G,чей продукт участвует в процессе сборки
хвостовой фибриллы. Родственные связи наблюдаются также и на
функциональном уровне: хотя Р1 и Р2 не связаны друг с другом в остальных

80
областях, их хвостовые фибриллы могут быть инактивированы одинаковыми
антителами, а бактериальные штаммы, устойчивые к Р2, обычно также
устойчивы и к Ми и Р1, но не к большинству остальных фагов.
Марта Хоув (личное сообщение) первой применила этот подход для
создания фагов с расширенным хозяйским спектром. Она взяла штаммы фага
Ми с амбер- мутациями в генах хвостовых фибрилл и высеяла их на амберсупрессирующие штаммы бактерий, лизогенные по Р1, отбирая затем редких
фагов, способных образовывать бляшки на несупрессирующем хозяине. Эти
рекомбинантные фаги полностью отличались от исходной формы, что
выразилось в эффективности высева на панели различных штаммов хозяев.
Лучшим был назван MuhPl (Csonkaetal., 1981).
Р2-подобному гену хвостовых фибрилл и паре рамок, обнаруженных в
бактериофаге X-tfa (tailfiberassembly) и stf (shorttailfiber.Hendrixи Duda (1992)
предложили доказательство того, что изначально хвостовые фибриллы фага Я
кодировались длинным геном, продукт которого обусловливал более быструю
адсорбцию, чем ген ныне используемого штамма фага Я, в котором сдвиг
рамки считывания привел к появлению двух генов и укорачиванию
функционального белкового продукта. Нынешний фаг Я отобран
исследователями за образование более крупных бляшек, он использует совсем
другой белок адгезии, распознающий мальтозосвязывающий белок хозяина
как рецептор.
ФАГИ, КОДИРУЮЩИЕ МНОЖЕСТВЕННЫЕ АДГЕЗИНЫ
Некоторые фаги кодируют две альтернативные формы адгезинов на хвое
вых фибриллах и могут переключаться с экспрессии одного на другой вариа
что сильно расширяет спектр их потенциальных хозяев. Например, Schollи :
леги (2001) выделили подовирус, названный К1-5, который распознает хозяев
экспрессирующих и К1, и К5 формы капсульного полисахаридного Кантигева. У фага К1-5 был обнаружен тандем из двух генов, кодирующих
белки адгезии с различной ферментативной активностью: эндосиалидазной,
которая может разлагать К1 капсульный а-2,8-связанный поли-И-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
