Sistem izključitve naknadne okužbe

Uvod

Superinfekcijska izključitev (ali izključitev naknadne okužbe; sistem Sie, iz angl. superinfection exclusion) je fenomen, pri katerem primarna okužba z virusom prepreči naknadno okužbo z istim ali podobnim virusom. Virioni (virusni delci) nimajo lastnega metabolizma in mehanizma razmnoževanja, zato svoj dedni material vnesejo v gostiteljsko celico. Celični proteini tako omogočijo replikacijo virusnega dednega materiala in sintezo komponent, ki so nujne za obstoj virusnega delca. Običajno bakterijska gostiteljska celica lizira, pri čemer se sprostijo novonastali bakteriofagi. Mehanizem, pri katerem virusni dedni material, vključen v bakterijsko celico, prepreči prihod drugega faga, je z evolucijskega vidika za virus smiselna poteza, saj mu omogoči, da celico uporabi le za lastno razmnoževanje. Tega niso sposobni le virusi, pomembni za bakterije, ampak tudi mnogi virusi, pomembni za ljudi, živali in rastline.

Virusna latenca

Latentni virus je neaktiven virus, skrit v okuženi celici in njenih potomkah. Za razvoj virusne latence ima proces izključitve naknadne okužbe ključno vlogo. Lizogeni cikel virusu prvenstveno omogoči zaščito pred antivirusnimi snovmi, ki na provirusno obliko nimajo učinka, in povečanje možnosti prenosa virusnega dednega materiala tako horizontalno kot tudi na potomke gostiteljske celice.

Genska stabilnost

Preprečitev naknadne okužbe gostiteljske celice je za virus pomembna tudi evolucijsko z vidika genske stabilnosti, saj v posamezni virusni populaciji določa strukturo dednega materiala delcev. Izključitev superinfekcije primarnemu virusu, ki si z osebki istega ali sorodnega seva deli isto ekološko nišo in kompetitivno išče gostitelja, omogoči ohranjanje zaporedja nukleotidov oziroma stabilnost genskega materiala. Če je v celici kopija dednega zapisa le enega virusa, obstaja manjša verjetnost, da bi prišlo do neželenih rekombinacij in prerazporeditev genov, to pa omogoča vsesplošno raznolikost znotraj skupine virusov. Biodiverziteta fagov znotraj skupine virusov tipa T omogoča prepoznavanje različnih – celo modificiranih – receptorjev na gostiteljski celici.

Zgodnje raziskave

Fenomen izključitve naknadne okužbe sorodnih virusov so znanstveniki prvič opazili v začetku 50. let 20. stoletja. Med raziskavami na fagih tipa T so ugotovili, da je okužba z dvema virusoma neuspešna, razen v primeru, če virusa dodajo hkrati. Če so enega dodali prej kot drugega, drugi ni okužil celice. Obstoj mehanizma, ki v gostiteljski celici povzroči korenito spremembo v dovzetnosti za sprejemanje dednega materiala sekundarnega bakteriofaga, dodanega z nekaj minutno zakasnitvijo, so posredno dokazali preko razpada genskega materiala le-tega. Kot sredstvo obarjanja dednega materiala razpadlega sekundarno dodanega virusa jim je služila trikloroocetna kislina. Zanimivo je bilo, da se je 50 % vzorca nahajalo v topni frakciji, kar pa je jasno kazalo na razpad DNA (trikloroocetna kislina obori polimere, daljše od 20 nukleotidov). Nadaljnje serije poskusov so jim pomagale pridobiti dokaze, da ni razpadla le DNA viriona, pač pa celoten delec, in da ni prišlo do prenosa genetske informacije sekundarnega virusa na potomce.

Mehanizmi Sie

Virusni dedni material vsebuje zapise za proteine, ki omogočajo izključitev naknadne okužbe. Ti virusni proteini lahko preprečijo vstop dednega materiala sekundarnega virusa v citoplazmo primarno okužene gostiteljske celice tako, da inhibirajo virusne peptidoglikan hidrolazne encime, ki virusnemu delcu omogočijo »preboj« skozi celično steno bakterijske celice. Lahko pa povzročijo modifikacijo specifičnih receptorjev na površini celice, ki jih prepoznajo virioni. V nadaljevanju je opisanih nekaj primerov sistemov superinfekcijske izključitve pri posameznih gramnegativnih in grampozitivnih bakterijah.

Sie pri gramnegativnih bakterijah

Obstaja več proteinskih mehanizmov, ki v različnih gramnegativnih bakterijah povzročijo superinfekcijsko izključitev. Zapis za te proteine se nahaja v genomu bakteriofagov, ki primarno okužijo celico. Najbolje raziskan sistem Sie obsega proteina Imm (iz angl. immunity, tj. imunost) in Sp (iz angl. spackle, tj. kit, kitati), ki ju kodira genom faga T4 (in njemu podobnih fagov). Ti fagi specifično okužijo bakterijo Escherchia coli. Ta proteina povzročata izključitev le omenjenih fagov, medtem ko superinfekcija ostalim (P1, c1, λ …) s tem mehanizmom ni onemogočena.

Protein Imm

Protein Imm je sestavljen iz ene polipeptidne verige, ki vsebuje 83 aminokislinskih ostankov. Njegova tridimenzionalna struktura še ni bila rešena. Ima dve daljši hidrofobni regiji: ena je iz 30, druga pa iz 28 ostankov. Z njima se protein najverjetneje usidra v plazmalemo E. coli. Med njima je hidrofilen del iz 4 ostankov, od katerih sta dva pozitivno nabita (R33 in K36). C-končni del iz 18 ostankov je prav tako nekoliko bolj hidrofilen. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da je C-končna regija usmerjena proti citosolu. Pri tem so bili sintetizirani fuzijski proteini Imm z β-galaktozidazo (ta se normalno nahaja v citosolu) in pa s kislo fosfatazo (ta se normalno nahaja v periplazemskem prostoru). Izkazalo se je, da sta v takem primeru oba encima aktivna v citosolu, kar pomeni, da se C-končna regija proteina Imm nahaja na citosolni strani. Ta regija torej ne more služiti za prepoznavanje faga. Poleg tega C-končni del ne kaže nobene specifičnosti in njegov skupni naboj ne predstavlja pomembne vloge. Tudi če se ta del, ki je nekoliko bazičen, zamenja z zaporedjem, ki vsebuje nekaj več kislih aminokislinskih ostankov, se aktivnost proteina večinoma ohrani.
Podobno se ob odstranitvi dveh pozitivnih nabojev v vmesni regiji izkaže, da aktivnost proteina ni inhibirana, temveč le nekoliko zmanjšana. Nenavadni sta tudi dolžini membranskih domen (30 in 28 aminokislinskih ostankov, v običajnih transmembranskih domenah pa okrog 20). Zaradi navedenih razlogov obstajajo argumentirana domnevanja, da Imm sploh ni integralni protein. Predlagano je bilo, da Imm le interagira z drugim proteinom, ki je komponenta mesta na plazmalemi za vnos fagne DNA. Imm z vezavo na ta protein, ki zanj dejansko deluje kot receptor, spremeni njegovo konformacijo, s tem pa onemogoči prenos virusne DNA skozi plazmalemo v celico in jo preusmeri v periplazemski prostor. Empirični podati kažejo, da se 50 % DNA nabere v periplazmi, tam pa jo razgradi endonukleaza I. Ostalih 50 % ostane v fagu.
Imunost preko tega mehanizma se razvije zelo hitro, tj. po največ 2 minutah po infekciji s primarnim fagom. E. coli ima približno 200 mest za vnos DNA (precej manj kot receptorjev za fage). Ker Imm deluje stehiometrično, je približno taka tudi njegova koncentracija. Zaradi tako majhne količine ga je in vivo zelo težko dokazati.

Protein Sp

Za superinfekcijsko izkjučitev faga T4 je v E. coli le v 80 % primerov odgovoren protein Imm, popolno imunost pa omogoča membranski protein Sp. Poskus je pokazal, da ima sistem E. coli in superinfekcijskega faga z deletiranim genom za Sp podobne značilnosti kot sistem, v katerem fag nima aktivnega lizocima, proteina 5. Za vnos DNA v celico fag namreč potrebuje ta protein, ki po vezavi na celico s svojo lizocimsko aktivnostjo razgradi peptidoglikanski sloj in s tem prebode periplazemski prostor ter tako dostopa do mesta za vnos DNA na plazmalemi. Protein Sp inhibira delovanje proteina 5, zato fag ne more razgraditi peptidoglikana in tako inducirati superinfekcije v gostiteljski celici. Tudi za ta protein je znano aminokislinsko zaporedje, ne pa njegova tridimenzionalna struktura.

Sie pri grampozitivnih bakterijah

Protein Sie₂₀₀₉

Poznavanje mehanizmov preprečevanja injiciranja DNA fagov je pri grampozitivnih bakterijah bolj omejeno kot pri gramnegativnih bakterijah. Prve objave mehanizmov Sie pri grampozitivnih bakterijah segajo v leto 2002, torej okoli 50 let po začetku proučevanja Sie. Prvi identificirani protein pri grampozitivnih bakterijah, ki omogoča Sie, je Sie₂₀₀₉, protein faga Tuc2009, katerega gostitelj je bakterija Lactococcus lactis, ki ima pomembno vlogo pri mlečni fermentaciji.
Gen Sie₂₀₀₉, ki zapisuje ta protein, se nahaja v lizogenem modulu DNA faga Tuc2009 med genom za integrazo (encim, ki omogoča vstavljanje fagne DNA v krožno DNA gostitelja) in genom, ki kodira represor. Na podlagi njegove lokacije in primerjave z geni za zapis proteinov, ki prav tako omejujejo razmnoževanje fagov, so sklepali, da Sie₂₀₀₉ onemogoča okužbo bakterije s fagi. Zato so želeli to nedvomno dokazati in ugotoviti, na kateri stopnji razmnoževanja bakteriofaga deluje. Sistematične preiskave so pričeli tako, da so gen vstavili v plazmid, z le-tem okužili različne vrste oziroma seve bakterij in testirali njihovo odpornost na različne bakteriofage. Izkazalo se je, da protein Sie₂₀₀₉ omogoča odpornost proti določenim vrstam fagov le nekaterim vrstam bakterij.
Raziskave so nadaljevali s proučevanjem lokacije nahajanja proteina Sie₂₀₀₉. Ugotovili so, da je pripet na celično membrano. Preko različnih eksperimentov so še ugotovili, da protein Sie₂₀₀₉ ne vpliva na pritrjevanje fagov na površino bakterijske celice, niti ne ovira transformacije plazmidov ali transfekcije. Na podlagi teh rezultatov so prišli do zaključka, da Sie₂₀₀₉ blokira injiciranje fagne DNA, kar je bil takrat popolnoma na novo odkrit mehanizem Sie. Natančnejša razlaga pa še danes ni znana.

Protein LTP

Med najbolje raziskane sisteme Sie pri grampozitivnih bakterijah spada sistem LTP faga TP-J34, katerega gostitelj je bakterija Streptoccocus thermophilus J34, ki se uporablja v proizvodnji jogurta. V lizogenem modulu faga TP-J34 se nahaja genetsko stikalo, ki leži med divergentno prepisovanima genoma crh in cro. Gen crh je sestavni del operona, ki ga poleg tega strukturnega gena sestavljajo še geni orf3, ltp in int (po vrstnem redu prepisovanja). Gen crh kodira protein, ki je represor, gen orf3 pa protein, ki je regulator. Gen int zapisuje protein integrazo, ki omogoča vstavljanje fagne DNA v krožno DNA gostitelja, gen ltp pa nosi zapis za protein LTP, 142 aminokislinskih ostankov velik lipoprotein, ki se nahaja na zunanji strani celične membrane.
Protein LTP se izraža v lizogenem ciklu fag in omogoča sistem Sie, kar je pokazal sledeč eksperiment. V bakterije vrst Streptococcus thermophilus in Lactococcus lactis so preko plazmidov vstavili gen za protein LTP, ki je oviral razmnoževanje virusov v teh bakterijah. Pri obeh gostiteljskih bakterijah je odsotnost podvojevanja fagne DNA dokazala, da je bilo preprečeno injiciranje fagne DNA. Protein LTP pa ni onemogočal sekundarne okužbe le pri bakteriofagih TP-J34, ampak tudi pri drugih vrstah fagov. Za najobčutljivejšo se je izkazala vrsta laktokokih fagov P008, saj se je stopnja razmnoževanja fagov znižala približno za faktor 10⁸.
Skozi raziskave so prišli do zaključka, da LTP preprečuje vstop DNA v bakterijsko celico. Z imunokemijskim označevanjem z zlatom in elektronsko mikroskopijo so nedvomno potrdili, da se nahaja na zunanji strani celične membrane. Na podlagi strukture so sklepali, da je LTP protein, ki veže proteine. S tem so lahko izključili hipotezo, da se veže neposredno na DNA in tako onemogoča njen vstop v celico. Torej mora obstajati drug mehanizem.
Preden lahko bakteriofagi iz družine Siphoviridae injicirajo DNA, ki je zapakirana v glavi virusa, morajo iz svojega repa potisniti tape measure protein (TMP), ki določa dolžino cevke repa, saj se le-ta sestavi okoli njega. Ko TMP zapusti fagov rep, tvori poro skozi celično membrano, skozi katero lahko pride DNA v celico. Dokazali so, da protein LTP veže protein TMP in tako povzroči injiciranje DNA v periplazmo namesto v celico. Tam se le-ta nato razgradi. Naknadna okužba je tako onemogočena.

Viri

• Dulbecco, R. Mutual Exclusion between related phages. Journal of Bacteriology, 1951, št. 63, str. 209–217
• Lu, M.-J. in Henning, U. Superinfection exclusion by T-even-type coliphages. Trends in Microbiology, 1994, let. 2, št. 4, str. 137–139
• Lu, M.-J., Stierhof, Y.-D. in Henning, U. Location and unusual membrane topology of the immunity protein of the Escherichia coli phage T4. Journal of Virology, 1993, let. 67, št. 8, str. 4905–4913
• Heller, K. J. in Neve, H. Superinfection exclusion und DNA-Injektion bei Siphoviridae-Phagen. Biospektrum, 2014, let. 20, št. 1, str. 26–29.
• McGrath, S., Fitzgerald, G. F. in van Sinderen, D. Identification and characterization of phage-resistance genes in temperate lactococcal bacteriophages. Molecular Microbiology, 2002, let. 43, št. 2, 509–520.