Ikozaedrični fagi

UVOD

Bakteriofagi so skupina virusov, ki okužijo bakterije in arheje. Zaradi izobilja njihovih gostiteljskih celic jih zato najdemo skoraj povsod na svetu. Bakteriofagi so se najverjetneje razvili daleč pred evkariontskimi virusi. Razlikujejo se po obliki vironov in vrsti nukleinske kisline, v kateri hranijo dedni zapis. Delijo se na Caudovirales (ikozaedrične bakteriofage), Ligamenvirales (nitaste bakteriofage) in nedoločene bakteriofage. Skupina Caudovirales je znana po ikozaedrični glavi, kjer hranijo DNA, in repni strukturi. Vsi ikozaedrični bakteriofagi imajo dvoverižno DNA (dsDNA).

Caudiovirales se delijo v tri skupine glede na obliko in lastnosti repa. Myouiridae z dolgimi in krčljivimi repi, Siphouiridae z dolgimi nekrčljivimi repi in Podouiridae s kratkimi repi. Te skupine lahko še bolj podrobno delimo glede na obliko glave, saj imajo nekateri virusi podaljšano ikozaedrično glavo.

Najbolj znan primer ikozaedričnega faga je bakteriofag λ, ki je hkrati tude eden izmed najbolje preučenih virusov na svetu. Sistematsko bakteriofagi λ spadajo v skupino Siphouiridae.

Ikozaedrična struktura

Ikozaedrična struktura je zelo pogosta med virusi. Število in razporeditev capsomer v ikozaedrični kapsidi lahko določimo z uporabo Goldberg-ovih poliedrov, ki govori, da mora biti ikozaedrična struktura sestavljena iz pentamerov in heksamerov. Ikozaedrična kapsida vsebuje 12 pentamerov in 10(T-1) heksamerov. Število T je različno pri kapsidih različnih velikosti in kompleksnosti. T število je tudi pomembno pri številu pomožnih proteinov. Izračunamo ga tako, da upoštevamo dve geometrični konstanti M in N, katere pa vplivata na simetričnost kapside, obliko ikozaedra in stevilo ploskev pri ikozaedru. Večinoma sem se osredotočil na DNA zapis in obliko kapside pri bakteriofagu λ, saj je ta en izmed bolje opisanih ikozaedričnih fagov. Struktura in dimenzije bakteriofaga λ so bile raziskane s pomočjo tehnike zamrzovalnega lomljenja in velikosti kapside so bile 58nm in število T je bilo izračunano in izmerjeno na 21.

Genom bakteriofaga lambda

Ko je genom v krožni obliki se začne takoj transkripcija iz delov PL in PR (promotor leftward in promotor rightward). Najprej se prepiše in prevede celoten skupek genov, ki se imenujejo zgodnji geni. Ti geni zapisujejo najpomembnejše proteine za začetek razvoja faga in njegov nadaljni razvoj. RNA polimeraza bakterijske celice (večinoma so eksperimenti bili izvedeni na e.coli) nato interagira s PL in tako se ustvari kratek mRNA prepis, ki se nato prevede v N protein (anti-terminatorski protein). Ta protein lahko nato sproži nadaljevanje transkripcije, ko RNA polimeraza sreča sekvenco v DNA, ki bi jo morala ustaviti. mRNA prepisi so zato daljši, ker se prepisujejo naprej, kljub delovanju terminacijskega signala tL (Terminator left ward). Na desni strani pa prepis proizvede Cro protein (anti-represor) in se izogne tR1(Terminator right ward). Zaradi daljšega prepisa na PR strani se lahko kodirajo C1 (represor), O in P proteini, ki pomagajo pri sintezi in replikaciji lambda DNA in nekaj Q proteina, ki pa je tako kot protein N anti-terminatorski protein. Na PL strani pa se sintetizirajo rekombinatorni proteini in nekaj malega Xis (ekscionaza) in Int (integraze). Terminacija pa se začne lahko le, ko se N protein veže na nut L1/R1 (levo/desno nevtralizacijsko mesto). Do te točke, bi morali biti vsi proteini, ki so pomembni za odločitev litični-lizogeni cikel že sintetizirani. Operator OR se sedaj še dodatno razdeli na tri dele (OR1/2/3). Razlikujejo se v tem da se na OR3 bolj verjetno veže Cro in tako preprečuje vezavo C1, ostala dva imata nekompetitivno vezavo. Če se veže Cro bo šel fag v lizogeni cikel, če pa se veže C1 pa bo šel v litični cikel.

VSTOP VIRUSNE DNA PRI BAKTERIOFAGIH λ

Za razliko od ikozaedričnih bakteriofagov z krčljivimi repi, bakteriofag λ ne more svoje DNA dostaviti sam preko celične membrane, ampak mora v celico vstopiti preko že obstoječih transportnih mehanizmov. Najbolje preučen mehanizem okužbe z bakteriofagom λ je na bakteriji E-coli. E-coli je gram negativna bakterija, kar pomeni da ima 2 membrani. Zunanja monoplast teh bakterij je sestavljena predvsem iz lipopolisaharidov. Namen zunanjih membran je zaščita bakterije pred škodljivimi zunanjimi dejavniki. V primeru E-coli se bakteriofag λ s pomočjo svojega J-proteina veže na membranski transporter za maltozo, imenovan LamB. Bakteriofag se lahko nato odcepi od celične membrane ali pa se nanjo trajno veže. Po trajni vezavi virusna DNA vstopi v gostiteljsko celico iz kapside preko repa. Točen mehanizem, kako DNA vstopi v celico iz kapside, pa še ni dobro znan. Znano pa je, da je rep bakteriofaga λ zmožen DNA transportirati sam, tudi če na virusu ni prisotne glave.

Skozi notranjo membrano E-coli se virusna DNA najverjetnej prebije skozi manozni permiabni kompleks, ki običajno opravlja vlogo transporta in fosforilacije sladkorjev. Sestaljajo ga 3 podenote IIIMan, II-PMan in II-MMan. V kompleksu so potrebne vse tri podenote, da opravljajo nalogo transporta in fosforilacije sladkorjev. Za transport svoje DNA preko membrane pa bakteriofag potrebuje le II-PMan in II-MMan. Virusna DNA se tako uspe prebiti do bakerijske citoplazme in tako dobi dostop do njene DNA.

Virusna DNA vstopi v celico in tu se zgodita dva cikla. Lizogeni cekel je cikel, v katerem se virusna DNA vključi v bakterijsko DNA. Virus se v tem ciklu imenuje profag, saj ne pride do infekcije. Litični cekel je proces, v katerem nastanejo novi virusi, ki razpočijo celico in se sprostijo v okolje.Prehodi med cikloma so odvisno od ugodnosti okolja za bakterjo, v ugodnem okloju pride do lizogenega cikla. Kot primer teh ciklov in procesov v bakteriji je opisan bakteriofag λ.

Lizogeni cikel

Za lizogeni cikel je pomembno da se virusna DNA vključi v bakterijski kromosom. Lizogeni cekel je setavljen iz vzpostavitve, ohranjanje cikla ozirima popravljanje napak in mehanizma vključitve, ki omgočata tak proces sta rekombinacija na specifičnem mestu ali naključna transpozicija. Rekombinacija poteka pri fagu λ mestu attP in na bakteriji na mestu attB. Povezavo med tema mestoma tvori kompleks, ki vključuje IHF. Pri tem je za vzpostavitev lizogenega cikla najpomembnejši cII, ki je aktivoator transkripcije cI, ki je represor za litični cekel, saj zavira sintezo mRNA. Tu se vklučena DNA replicira skupaj z bakterijskim kromasomov in tako nastane več kopij profaga. V tem času se dogaja evolucija faga.

Litični cikel

Prehod v litični cikel se zgodi zaradi zunanjih dejavnikov, ki vplivajo na preživetje gostiteljske celice. Tu poteka sinteza proteinov, ki so pomembni za izgradnjo viriona. Pri tem se vsi procesi v celici preusmerijo v sintezo virusa. Zunanji dejavniki vplivajo na to, da se razgradi cI, kar omogoča sintezo protinov, pomembnih za sintezo strukturnih protreinov in replikacijo DNA. Za transkripcijo in translacijo genov je pomembna kaskada aktivacije raznih proteinov (cI, cII, Q, N), kar privede, da pride do sinteze strukturnih genov za kapsido. Pri transkripciji so vključene gostiteljske RNA polimeraze. N protein je antiterminator, in preprečuje Rho proteinu, da bi zaustavil transkripcijo. Veže se na lasnično zanko in tako deluje tudi kot elongacijski faktor. Q se veže na promotorsko regijo in interagira z RNApol na tak način, da je terminacija onemogočena. Sinteza virusnih proteinov poteka na gostilteljsih ribosomih. Replikacija virusne DNA poteka neodvisno od cepitev bakterije, za to sta pomembna proteina O in P. O se veže na ori mesto, P pa na bakterijsko helikazo ion tak kompleks omogoča replikacijo virusne DNA nastajanja krožne DNA za vključitev v nove viruse, ni pa še bilo razloženo, koko poteka nadaljani proces, ki omogočatakšno strukturo krožne DNA, da se ta vključi v kapsido.

Sestavljanje virusa

Sesavljanje viriona poteka posebej za glavo in rep, ki se nato spontano povežeta. DNA se vključi v glavo preko Dna-pakirajočega kompleksa, ki vsebuje tudi podenoto za zazanvanje Dna (TerS), terminazo (TerL) in proteine, ki sestavljajo poro. Ti proteini imajo tudi motorično funkcijo, da premikajo DNA. V vseh teh procesih so pomembni gostitelski šaperoni, pomemben pa je tudi IHF, ki z vezavo na Nu1 omogoča pakiranje DNA. Pri sintezi repu samo dožino določa dolžina gena za H protein, za pravilno razmerje G – T proteinov, ki so pomembni za kapsido je potrebeno premikanje bralnih okvirjev pri translaciji.

Viri

Casjens, S. R. & Hendrix, R. W. Bacteriophage lambda: Early pioneer and still relevant. Virology 479–480, 310–330 (2015).

Chatterjee, S. & Rothenberg, E. Interaction of bacteriophage l with its E. coli receptor, LamB. Viruses 4, 3162–78 (2012).

Ackermann, H.-W. Tailed Bacteriophages: The Order Caudovirales. in 135–201 (1998). doi:10.1016/S0065-3527(08)60785-X

Bayer, M. E. & Bocharov, A. F. The capsid structure of bacteriophage lambda. Virology 54, 465–475 (1973).

Becker, A. & Murialdo, H. Bacteriophage lambda DNA: the beginning of the end. J. Bacteriol. 172, 2819–24 (1990).