Interakcija faga z bakterijo

V življenjskem ciklu bakteriofaga so ključne njegove specifične interakcije s strukturami na površini bakterijskih celic, sposobnih za razmnoževanje tega določenega virusa. Po adsorpciji virusa na receptorje za fag na površini bakterij pride od injekcije virusnega genetskega materiala v notranjost bakterijske celice. S tem bakteriofag učinkovito okuži bakterijo. Glede na način vezave bakteriofaga na receptor za fag ločimo primarne in sekundarne receptorje. Na primarne se bakteriofag veže reverzibilno, na sekundarne pa ireverzibilno. Po adsorpciji virusa na receptorje za fag pride od konformacijskih sprememb, ki vodijo do injekcije genetskega materiala v bakterijo.

Receptorji in receptor - vezavni proteini bakterij in fagov

Receptorji za fag na površini bakterije

Lipopolisaharidi (LPS) so glavna komponenta zunanje strani zunanje membrane Gram-negativnih bakterij. Lipopolisaharidna molekula je sestavljena iz fosfolipida A, osrednjega oligosaharida in O-antigena, ki ima zelo raznolike strukture. Ker LPS-ji zaradi svoje dolžine virusu pogosto onemogočajo dostop do struktur bližje zunanji membrani, bakteriofag kot primarni receptor za fag prepozna O-antigen in ga encimsko razgradi, da lahko dostopa do sekundarnih receptorjev. Tudi osrednji oligosaharid LPS-ja služi kot primarni ali sekundarni receptor za fag, ali pa deluje kot oboje. Bakteriofagi za vezavo na Gram-negativne bakterijske celice izkoriščajo tudi integralne proteine v zunanji membrani. Vežejo se na porine, ki so večinoma sestavljeni iz β-trakov, povezanih z zankami. Zanke na zunajcelični strani se lahko uporabijo kot primarni, sekundarni receptor za fag ali oboje. Številne Gram-negativne, kot tudi Gram-pozitivne bakterije tvorijo kapsulo. Med kapsularnimi polisaharidi so tudi zelo variabilni K-antigeni. Slednji efektivno ščitijo bakterijo pred bakteriofagi, v nekaterih primerih pa lahko delujejo kot njihovi primarni receptorji. Kot receptorji za fag se predvsem pri Gram-negativnih bakterijah uporabljajo tudi bakterijski pilusi in bički. Celična stena Gram-pozitivnih bakterij je sestavljena predvsem iz peptidoglikana in tehojske kisline. Slednja pogosto deluje kot receptor za fag.

Receptor-vezavni proteini v bakteriofagih

Bakteriofagi imajo na svoji površini za vezavo na receptorje na površini bakterij komplementarne receptor-vezavne proteine, RBP (receptor-binding proteins). Fagi z repom (red Caudoviriales), ki za gostiteljske celice uporabljajo Gram-negativne bakterije, kot RBP-je uporabljajo predvsem repna vlakna. To so fibrilarni proteini, po navadi sestavljeni iz enega ali več trimerov, ki se organizirajo paralelno in skupaj tvorijo helikalne strukture. Bakteriofagi družine Siphoviridae imajo na koncu repa aksialno vlakno, ki je najpogosteje monomeren fibrilaren protein, ki se veže na sekundarni receptor za fag. Primer takega virusa je ʎ-fag, ki se z aksialnim vlaknom veže na LamB, bakterijski transportni protein za maltozo. Lateralna vlakna virusnega repa se uporabljajo za vezavo na primarne receptorje. Tak primer so bakteriofagi, ki napadejo E. coli in se z lateralnimi vlakni vežejo na O-antigene v LPS. Tudi miovirusi in podovirusi uporabljajo lateralna vlakna virusnega repa za vezavo na primarne receptorje za fag. Pri podovirusih so odkrili, da lahko tudi proteinske špičke, ki se nahajajo v repu, delujejo kot RBP. Tudi ti proteini so paralelni trimeri, a so za razliko od repnih vlaken globularni. Nekateri bakteriofagi za vezavo na receptorje za fag uporabljajo razvejana repna vlakna. Tako se lahko močneje vežejo na bakterijo in postanejo občutljivi na večje število različnih receptorjev. V nekaterih primerih lahko tudi bazalna plošča s svojo specifično zgradbo deluje kot RBP. Bakteriofagi, ki napadajo Gram-pozitivne bakterije po navadi namesto fibrilarnih RBP-jev uporabljajo repnim špičkam podobne strukture ali posebne polisaharid-vezavne domene prisotne v proteinih, ki tvorijo bazalno ploščo virusa.

Adsorpcija

Adsorpcija faga na bakterijsko celico je prva faza interakcije med njima. Hitrost adsorpcije, je značilna za vsak par fag/gostitelj in je zelo odvisna od nujnih koncentracij in raznih kemijskih pogojev kot so pH, temperatura, prisotnost različnih ionov in substratov. Najpogosteje adsorpcijo ponazorimo kot postopek, sestavljen iz dveh stopenj: reverzibilne, nekovalentne vezave RBP na primarni receptor in ireverzibilne vezave na sekundarni receptor preko elektrostatskih, močnejših interakcij. Adsorpcijski mehanizmi obeh stopenj so dokaj specifični in se lahko razlikujejo tudi med fagi v isti skupini. Spodaj so opisani nekateri izmed najbolj raziskanih mehanizmov adsorpcije med bakteriofagi T4,T5 in T7 na celico E.coli.

Miovirusi (T4)

Bakteriofag T4 spada med mioviruse in vsebuje dva seta repnih vlaken: dolga lateralna repna vlakna (LTFs), sestavljena iz adhezijskih protienov gp34-37 in kratka repna vlakna (STFs), ki vsebujejo proteina gp12 in so pripeta na bazalno ploščo virusa. Proteinski trimer gp37 v LTFs je odgovoren za prepoznavanje gostiteljske celice. Lahko se veže na dva tipa primarnih receptorjev, porinski protein ompC ali LPS na površini bakterijske celice. Določene raziskave so pokazale, da se v prisotnosti obeh receptorjev fag veže le na porinski receptor. Iniciacijska faza adsopcije se začne z reverzibilno vezavo enega LTF-ja na enega od primarnih receptorjev, v tej fazi fag lahko disociira in se veže na sosednji receptor. Na ta način se fag giblje po celični površini, vse dokler ne najde optimalnega mesta za ireverzibilno vezavo na celico, to je lastnost značilna za vse bakteriofage.Ob vezavi vsaj treh LTF-jev na ustrezne primarne receptorje se sproži prepoznavni signal, ki spremeni konformacijo bazalne plošče iz heksagonalne v zvezdasto obliko. To povzroči ireverzibilno vezavo C-terminalne domene proteina gp12 v STFs na sekundarni receptor, ki je osrednja heptozna domena v LPS. Konformacijska sprememba v bazalni plošči povzroči kontrakcijo repa in vezavo še preostalih LTFs na bakterijsko površino. Kot posledica kontrakcije repa, se bazalna plošča vsidra v zunajno membrano bakterijske celice in v naslednjem koraku pride do injekcije genetskega materiala v periplazmatični prostor. Na osnovi tega mehanizma lahko sklepamo da je za uspešno adsorpcijo fagov podobnih fagu T4, vezava na primarne receptorje nujno potrebna za uspešno interakcijo s celico, saj povzroči konformacijske spremembe potrebne za naslednji korak pri interakciji.

Podovirusi (T7)

Bakteriofag T7 uvrščamo med podoviruse. Vsebuje kratek nekontraktilen rep na katerega je pripetih šest repnih vlaken. RBP v tem primeru je adhezijski protein gp17 na koncu repnih vlaken, ki se veže na O- ali K- antigen LPS in ga encimsko razgradi. Ob irreverzibilni vezavi na osrednjo domeno LPS, se sproži signal skozi repna vlakna, ki se prenaša do ikozaedrične glave faga in povzroči pravokotno orientacijo faga nad celico. Nato, ob prenosu določenih proteinov sledi podalјšanje kratkega repnega vlakna ki se veže na zunajcelično membrano. Po tem se formira tunel, skozi katerega se prenaša DNA.

Sifovirusi (T5)

Bagteriofag T5, ki ga uvrščamo vdružino Siphoviridae, vsebuje osrednje aksialno vlakno in tri lateralna repna vlakna v obliki črke L, ki se primarno vežejo na O-antigen LPS-jev bakterijske celice. RBP pri fagu T5 je adhezijski protein pb5 na koncu aksialnega vlakna, ki se lahko v odsotnosti/mutaciji lateralnih vlaken direktno veže na sekundarni receptor v zunajcelični membrani. To je protein FluA. Ob vezavi na ta receptor, pride do konformacijskih sprememb v pb5, ki povzročijo sproženje signala ki se prenaša iz aksialnega vlakna navzgor do glave faga, kjer v naslednjem koraku pride do formacije tunela, preko katerega je vbizgan genetski material virusa v gostiteljsko celico.Ta mehanizem kaže na to, da pri bakteriofagih podobnih fagu T5, ki ne vsebujejo bazalne plošče, adsorpcija lahko poteka tudi v odsotnosti primarnih receptorjev.

Vbrizganje virusne DNA v bakterijsko celico

Miovirusi (T4)

Ireverzibilna vezava STFjev na sekundarne receptorje v zunajcelični membrani je začetek signala za kontrakcijo repa in prenos DNA iz faga v citoplazmo celice. Repni ovoj faga se skrči in tako potisne notranjo cev v repu skozi zunanjo membrano in periplazmo do notranje membrane celice. Nato pride do vbrizganja DNA v citoplazmo, kjer je pripravljena za direktno sintezo novih fagnih delcev. Osrednji protein gp5 na konici repne cevi je lizocim, ki hidrolizira glikozidne vezi v peptidoglikanu. Tvori kompleks s proteinom gp27. Ta kompleks omogoča, da cev repa prodre skozi peptidoglikanski sloj.

Podovirusi (T7)

Podovirusi uporabljajo za injekcijo genetskega materiala v gram negativne bakterije drugačen mehanizem od miovirusov. Pred vbrizganjem DNA v gostiteljsko celico tvorijo proteinski tunel skozi periplazemski prostor. Ta se tvori tako, da fag iz notranjosti svoje proteinske kapside izloči proteine, ki ponavadi vsebujejo peptidoglikanske hidrolazne domene, da lahko tvorijo luknjo skozi peptidoglikanski sloj celične ovojnice. Pri fagu T7 je tunel sestavljen iz proteinov gp14, gp15 in gp16, ki se pred infekcijo nahajajo v notranjosti kapside. C-terminalni konec gp16 in protein gp15 se v periplazmi ponovno zvijeta in spontano vstavita v notranjo membrano ter tako dopolnita tunel skozi celično ovojnico. Medtem je protein gp14 je prisoten samo v zunanji membrani, zato je najverjetneje zadnji, ki zapusti glavo faga.

Sifovirusi (T5)

Sifovirusi, med katere spada fag T5 prav tako oblikujejo proteinski tunel, pri čemer ima pomembno vlogo TMP (tape-measure protein), ki se nahaja v repu in se pri fagu T5 imenuje protein pb2. Po vezavi faga T5 na receptor se pb2 sprosti iz notranjosti repa v membrano in encimsko razgradi petidoglikansko plast. Hkrati se zunanja in notranja membrana spojita in formira se pora za prenos DNA.

Mehanizem prenosa DNA

Natančni mehanizmi ki omogočajo vbrizganje DNA iz kapside v celico še niso popolnoma znani. Pri tem ima vlogo sila, ki nastane zaradi pritiska DNA v kapsidi, ker je ta zelo gosto zapakirana. Pričakovali bi, da se bo s tem, ko se vse več DNA izloči iz kapside tlak zmanjšal in se posledično upočasnil tudi prenos DNA v celico. Druga razlaga je, da DNA v celico prehaja zaradi osmotskega gradienta. Osmotski tlak je izven kapside večji kot v njej, zato bo voda iz okolja prehajala v kapsido. Nato se bo premikala naprej skozi cev repa v citoplazmo celice in s sabo povlekla DNA. Istočasno kalijevi ioni izhajajo iz celice, zato se membranski potencial začasno zmanjša. Za razliko od faga T4, je vnos DNA je pri bakteriofagih T5 in T7 dvostopenjski proces. Ko v citoplazmo vstopi prvih nekaj delov DNA, se proces začasno ustavi. Pride do transkripcije zgodnjih genov na genomskem segmentu, ki je že prispel v celico. Produkti transkripcije omogočijo , da se fag polasti celičnega metabolizma. Pri fagu T7 je preostanek DNA potisnjen v citoplazmo zaradi transkripcije z najprej gostiteljsko in nato fagno RNA polimerazo.

Viri

Letarov, A. V., & Kulikov, E. E. (2017). Adsorption of bacteriophages on bacterial cells. Biochemistry (Moscow), 82(13), 1632–1658.

Stone, E., Campbell, K., Grant, I., & McAuliffe, O. (2019). Understanding and Exploiting Phage–Host Interactions. Viruses, 11(6), 567

Nobrega, F. L., Vlot, M., de Jonge, P. A., Dreesens, L. L., Beaumont, H. J. E., Lavigne, R., … Brouns, S. J. J. (2018). Targeting mechanisms of tailed bacteriophages. Nature Reviews Microbiology.

Häuser, R., Blasche, S., Dokland, T., Haggård-Ljungquist, E., von Brunn, A., Salas, M., … Uetz, P. (2012). Bacteriophage Protein–Protein Interactions. Bacteriophages, Part B, 219–298.

Inamdar, M. M., Gelbart, W. M., & Phillips, R. (2006). Dynamics of DNA Ejection from Bacteriophage. Biophysical Journal, 91(2), 411–420.