Zgradba kompleksa za odločanje med lizogenim in litičnim ciklom faga lambda

From Wiki FKKT

(Difference between revisions)
Jump to: navigation, search
(Regulacija genov)
Line 28: Line 28:
Prva faza je pri obeh ciklih enaka. Najprej poteče transkripcija N in Cro. Sledi izražanje CIII, CII, O, P in Q. Prehitro odločitev za enega od ciklov prepreči Cro (preko zgoraj omenjene negativne povratne zanke). Sledi faza odločitve na katero vpliva tekmovanje med CII in Q. Za vzpostavitev lizogenega cikla se mora nakopičiti CII, ki spodbudi sintezo CI, ki pa ohranja odločitev na strani lizogenega cikla. CI in Cro tekmujeta za vezavna mesta na operatorjih oL in oR in s tem regulirata izražanje drug drugega. CI zavre sintezo Cro in replikacijo DNA. Fluktuacija hitrosti replikacije DNA vpliva, hitrost izražanja CI. Njegovo izražanje pa se regulira tudi preko pozitivne povratne zanke. Če je aktivnost CII nizka in se poveča izražanje Q se bo razvil litični cikel. Pri tem bo Cro zaustavil sintezo CI in dodatno prispeval k izbrani odločitvi.
Prva faza je pri obeh ciklih enaka. Najprej poteče transkripcija N in Cro. Sledi izražanje CIII, CII, O, P in Q. Prehitro odločitev za enega od ciklov prepreči Cro (preko zgoraj omenjene negativne povratne zanke). Sledi faza odločitve na katero vpliva tekmovanje med CII in Q. Za vzpostavitev lizogenega cikla se mora nakopičiti CII, ki spodbudi sintezo CI, ki pa ohranja odločitev na strani lizogenega cikla. CI in Cro tekmujeta za vezavna mesta na operatorjih oL in oR in s tem regulirata izražanje drug drugega. CI zavre sintezo Cro in replikacijo DNA. Fluktuacija hitrosti replikacije DNA vpliva, hitrost izražanja CI. Njegovo izražanje pa se regulira tudi preko pozitivne povratne zanke. Če je aktivnost CII nizka in se poveča izražanje Q se bo razvil litični cikel. Pri tem bo Cro zaustavil sintezo CI in dodatno prispeval k izbrani odločitvi.
 +
 +
 +
== Glasovanje fagov za odločitev med litičnim in lizogenim ciklom ==
 +
 +
Do nedavnega je prevladovalo mišljenje, da je odločitev med litičnim in lizogenim ciklom izvedena na ravni celice. To bi pomenilo, da bi vsi fagi, ki so okužili neko celico vstopili v enak cikel. Lizogeni cikel naj bi prevladal v neugodnem okolju za razmnoževanje fagov (npr. celično stradanje), saj virusu omogoči shrambo njegove DNA vse dokler niso pogoji za njegov razvoj optimalni. Pri pogojih, ki so ugodni za razmnoževanje fagov, pa naj bi prevladal litični cikel.
 +
Novejše raziskave so s pomočjo razvoja tehnologije, ki je omogočil spremljanje procesov pri boljši resoluciji, pokazale, da se fagi, ki okužujejo celico, vsak zase odločijo za litični ali lizogeni cikel . Odločitev med tema dvema cikloma je torej individualna za posamezen fag.
 +
 +
Skladno s to ugotovitvijo lahko govorimo o obstoju treh možnih izidov po okužbi bakterijske celice. Poteče lahko lizogeni cikel, litični cikel ali pa hkrati potečeta oba cikla. Lizogeni cikel poteče, ko se vsi fagi, ki okužijo celico, odločijo za ta cikel. Enako velja za litični cikel. Če se zgodi, da odločitve med cikli posameznih fagov, niso skladne, poteče tisti, ki prevlada. Običajno je to litični cikel, a vseeno ne smemo izključiti možnosti poteka lizogenega cikla. Pri nekaterih izmed teh celic, pri katerih prevlada litični cikel pa je mogoče opaziti tudi integracijo nekaterih fagnih DNA v genom gostiteljske celice. V tem primeru potečeta oba cikla.
 +
 +
 +
== Potek obeh ciklov ==
 +
 +
Potek obeh ciklov je posledica tako imenovane zmedenosti fagov, kar lahko obrazložimo s pomočjo regulacije njihovih genov. Raziskovalci predvidevajo, da je zmedenost fagov posledica prisotnosti določene količine proteina CII med potekom litičnega cikla, saj aktivnost CII povzroči tudi  izražanje integraze (Int), ki je ključna za vključevanje fagne DNA v genom gostiteljske celice.
 +
 +
Integracija fagne DNA je zelo reguliran proces, odvisen tako od Int kot tudi ekscizionaze (Xis), ki inhibira integracijo fagne DNA. Zgodaj po virusni okužbi celice se pod nadzorom promotorja pL izražata Int in Xis, a je zaradi retroregulacije Int  količina nastalega proteina Int manjša od količine proteina Xis. Zato ni verjetno, da bi se integracija DNA zgodila zgodaj po okužbi. Kasneje v celicah, kjer bo potekel lizogeni cikel protein CI povzroči utišanje izražanja Int in Xis, ki sta pod nadzorom promotorja pL. Protein CII pa aktivira izražanje genov, ki jih nadzoruje promotor pI. To rezultira v izražanju Int, ne pa tudi Xis. DNA integracija zato poteče.
 +
Predvideva se, da je pri zmedenih fagih, kljub poteku litičnega cikla, prisotna zadostna količina CII, kar povzroči izražanje Int, ki je pod nadzorom promotorja pI. Ta količina je najverjetneje premajhna da bi aktivirala pRE, ki bi povzročil potek zgolj lizogenega cikla. Posledično potečeta oba cikla in sicer se profagi najprej integrirajo v genom celice, nato pa poteče še litični cikel.
 +
 +
 +
== Medsebojni vpliv fagov ==
 +
 +
Pri poteku lizogenega cikla fagi med seboj sodelujejo, kar rezultira v integraciji različnih verig fagne DNA v gostiteljski genom. Sodelovanje fagov je pri pogojih, ki so neugodni za njihovo razmnoževanje, ugodno, saj tako skupaj spodbujajo integracijo.
 +
Ker litični cikel poteka predvsem pri pogojih, ki so ugodni za razmnoževanje fagov, ti pri poteku litičnega cikla med seboj tekmujejo. Dominanca omogoči maksimalno razmnoževanje, zato je večina novonastalih virusnih delcev genetskih potomcev dominantnega faga. Vzpostavitev dominance je posledica mnogih dejavnikov, kot sta na primer čas infekcije faga in sredstva gostiteljske celice.

Revision as of 14:26, 4 May 2020

Bakteriofag lambda je virus, ki okuži E. Coli. Okužba z virusom se lahko začne razvijati v dve smeri, razvije se lahko litični ali lizogeni cikel. Odločitev kateri cikel se bo razvil, je odvisna od mnogih dejavnikov kot so temperatura, velikost celice, št. fagov, ki okuži posamezno celico … Čeprav je že veliko znano o genih, ki so ključni pri odločitvi med cikloma, pa še vedno obstaja veliko neznank pri samem poteku odločanja. Prav tako se moramo zavedati, da posamezno celico ponavadi okuži več virusov hkrati, vendar ne vsi ob istem času. Tako je pomembno kakšno kapaciteto transkripcije ima posamezna celica, torej koliko RNA polimeraze in DnaA replikatorskega iniciatorskega proteina je na voljo, ter kje v celici se nahajajo ti proteini glede na položaj virusne DNA v celici. V sestavku je najprej pojasnjen mehanizem odločanja z izražanjem in regulacijo genov, nato vpliv na odločitev z upoštevanjem prisotnosti več različnih fagov, na koncu pa še časovni potek okužbe in sprememba odločitve.


Contents

Regulacija genov

Takoj ob vstopu virusne DNA v citoplazmo se začne transkripcija genov, ki so ključni za odločitev med litičnim in lizogenim ciklom. Ti se nahajajo na operonih, ki so pod kontrolo promotorjev pR in pL. Na operonu s promotorjem pL se nahajajo geni za N in CIII, na operonu s promotorjem pR pa geni za Cro, CII, O, P in Q.

Ključni geni vključeni v odločitev

Protein N je transkripcijski antiterminator in omogoči, da se iz pL in pR transkriptov prepišejo ostali zgodnji geni. Na pL in pR se nahaja več terminatorskih mest in ko N ni prisoten na teh pride do terminacije. Ko pa je prisotnega dovolj N, se veže na nut (N utilization site)in omogoča nastanek daljših transkriptov.

Cro se veže na operator oR in po negativni povratni zanki nadzira delovanje promotorja pR.

CII je pomemben za odločitev in spodbuja lizogeni cikel ter spodbudi izražanje CI, ki je lizogeni efektor. CI se izraža iz promotorjev pRE in pRM. CIII je pozitivni regulator lizogenega cikla. Deluje kot inhibitor CII inhibitorja.

Q je 'vratar' litičnega cikla. Če doseže pražno vrednost se začne transkripcija poznih genov in litični cikel. Q podobno kot N deluje kot antitermiantor.

O in P sta ključna za iniciacijo replikacije fagne DNA.

Vplivi na odločitev

Okolje v katerem se celica nahaja fluktuira, kar se odrazi v različnih celičnih odzivih. To fagi izkoriščajo za povečanje fenotipske diverzitete. Zaradi fluktuacije v okolju pride do fluktuacij v sintezi proteinov, kar vpliva na odločitev med litičnim in lizogenim ciklom. Poleg tega pa je ključen proces za vzpostavitev katerega koli od ciklov replikacija DNA. Če v fagih ni prisoten gen za P, ti ne morejo niti lizirati celic, niti ne poteče lizogeni cikel. Torej ena sama kopija virusne DNA ni dovolj, da bi se vzpostavil kateri koli od ciklov. Za odločitev je pomembna tudi hitrost replikacije. Z njo se poveča število fagnih DNA v celici, kar spremeni hitrost transkripcije in s tem translacije.

Potek odločitve

Prva faza je pri obeh ciklih enaka. Najprej poteče transkripcija N in Cro. Sledi izražanje CIII, CII, O, P in Q. Prehitro odločitev za enega od ciklov prepreči Cro (preko zgoraj omenjene negativne povratne zanke). Sledi faza odločitve na katero vpliva tekmovanje med CII in Q. Za vzpostavitev lizogenega cikla se mora nakopičiti CII, ki spodbudi sintezo CI, ki pa ohranja odločitev na strani lizogenega cikla. CI in Cro tekmujeta za vezavna mesta na operatorjih oL in oR in s tem regulirata izražanje drug drugega. CI zavre sintezo Cro in replikacijo DNA. Fluktuacija hitrosti replikacije DNA vpliva, hitrost izražanja CI. Njegovo izražanje pa se regulira tudi preko pozitivne povratne zanke. Če je aktivnost CII nizka in se poveča izražanje Q se bo razvil litični cikel. Pri tem bo Cro zaustavil sintezo CI in dodatno prispeval k izbrani odločitvi.


Glasovanje fagov za odločitev med litičnim in lizogenim ciklom

Do nedavnega je prevladovalo mišljenje, da je odločitev med litičnim in lizogenim ciklom izvedena na ravni celice. To bi pomenilo, da bi vsi fagi, ki so okužili neko celico vstopili v enak cikel. Lizogeni cikel naj bi prevladal v neugodnem okolju za razmnoževanje fagov (npr. celično stradanje), saj virusu omogoči shrambo njegove DNA vse dokler niso pogoji za njegov razvoj optimalni. Pri pogojih, ki so ugodni za razmnoževanje fagov, pa naj bi prevladal litični cikel. Novejše raziskave so s pomočjo razvoja tehnologije, ki je omogočil spremljanje procesov pri boljši resoluciji, pokazale, da se fagi, ki okužujejo celico, vsak zase odločijo za litični ali lizogeni cikel . Odločitev med tema dvema cikloma je torej individualna za posamezen fag.

Skladno s to ugotovitvijo lahko govorimo o obstoju treh možnih izidov po okužbi bakterijske celice. Poteče lahko lizogeni cikel, litični cikel ali pa hkrati potečeta oba cikla. Lizogeni cikel poteče, ko se vsi fagi, ki okužijo celico, odločijo za ta cikel. Enako velja za litični cikel. Če se zgodi, da odločitve med cikli posameznih fagov, niso skladne, poteče tisti, ki prevlada. Običajno je to litični cikel, a vseeno ne smemo izključiti možnosti poteka lizogenega cikla. Pri nekaterih izmed teh celic, pri katerih prevlada litični cikel pa je mogoče opaziti tudi integracijo nekaterih fagnih DNA v genom gostiteljske celice. V tem primeru potečeta oba cikla.


Potek obeh ciklov

Potek obeh ciklov je posledica tako imenovane zmedenosti fagov, kar lahko obrazložimo s pomočjo regulacije njihovih genov. Raziskovalci predvidevajo, da je zmedenost fagov posledica prisotnosti določene količine proteina CII med potekom litičnega cikla, saj aktivnost CII povzroči tudi izražanje integraze (Int), ki je ključna za vključevanje fagne DNA v genom gostiteljske celice.

Integracija fagne DNA je zelo reguliran proces, odvisen tako od Int kot tudi ekscizionaze (Xis), ki inhibira integracijo fagne DNA. Zgodaj po virusni okužbi celice se pod nadzorom promotorja pL izražata Int in Xis, a je zaradi retroregulacije Int količina nastalega proteina Int manjša od količine proteina Xis. Zato ni verjetno, da bi se integracija DNA zgodila zgodaj po okužbi. Kasneje v celicah, kjer bo potekel lizogeni cikel protein CI povzroči utišanje izražanja Int in Xis, ki sta pod nadzorom promotorja pL. Protein CII pa aktivira izražanje genov, ki jih nadzoruje promotor pI. To rezultira v izražanju Int, ne pa tudi Xis. DNA integracija zato poteče. Predvideva se, da je pri zmedenih fagih, kljub poteku litičnega cikla, prisotna zadostna količina CII, kar povzroči izražanje Int, ki je pod nadzorom promotorja pI. Ta količina je najverjetneje premajhna da bi aktivirala pRE, ki bi povzročil potek zgolj lizogenega cikla. Posledično potečeta oba cikla in sicer se profagi najprej integrirajo v genom celice, nato pa poteče še litični cikel.


Medsebojni vpliv fagov

Pri poteku lizogenega cikla fagi med seboj sodelujejo, kar rezultira v integraciji različnih verig fagne DNA v gostiteljski genom. Sodelovanje fagov je pri pogojih, ki so neugodni za njihovo razmnoževanje, ugodno, saj tako skupaj spodbujajo integracijo. Ker litični cikel poteka predvsem pri pogojih, ki so ugodni za razmnoževanje fagov, ti pri poteku litičnega cikla med seboj tekmujejo. Dominanca omogoči maksimalno razmnoževanje, zato je večina novonastalih virusnih delcev genetskih potomcev dominantnega faga. Vzpostavitev dominance je posledica mnogih dejavnikov, kot sta na primer čas infekcije faga in sredstva gostiteljske celice.

Personal tools