Bakteriofag P2

Klasyfikacja wirusów
P2
(nierankingowe):	Wirus
królestwo :	Duplodnaviria
Królestwo:	Heunggongvirae
Gromada:	Urowiricota
Klasa:	Caudoviricetes
Zamówienie:	Caudovirales
Rodzina:	Myoviridae
Rodzaj:	Peduowirus
Gatunek:	Wirus Escherichia P2

Bakteriofag P2 , nazwa naukowa Escherichia virus P2 , jest umiarkowanym fagiem , który infekuje E. coli . Jest to wirus ogoniasty z kurczliwą osłonką i dlatego jest klasyfikowany w rodzaju Peduovirus (dawniej P2likevirus ), podrodzinie Peduovirinae , rodzinie Myoviridae w ramach rzędu Caudovirales . Ten rodzaj wirusów obejmuje wiele fagów podobnych do P2, jak również faga satelitarnego P4 .

Odkrycie

Bakteriofag P2 został po raz pierwszy wyizolowany przez G. Bertaniego ze szczepu E. coli Lisbonne i Carrère w 1951 r. Od tego czasu wyizolowano dużą liczbę profagów podobnych do P2 (np. 186, HP1, HK239 i WΦ), które cechy, takie jak zakres żywiciela, pokrewieństwo serologiczne i niezdolność do rekombinacji z fagiem λ , i wydawały się dość powszechne w populacjach E. coli , ponieważ około 30% szczepów w kolekcji referencyjnej E. coli (SABC) zawiera profagi podobne do P2 . Spośród tych profagów podobnych do P2 najlepiej scharakteryzowano P2. Stwierdzono, że fag P2 jest zdolny do namnażania się w wielu szczepach E. coli , a także w szczepach wielu innych gatunków, w tym Serratia , Klebsiella pneumoniae i Yersinia sp., co sugeruje, że odgrywa on ważną rolę w poziomym transferze genów w ewolucja bakterii.

Genom i morfologia

Fag P2 ma dwuniciowy genom DNA upakowany w dwudziestościennym kapsydzie o średnicy 60 nanometrów, który jest połączony z ogonem o długości 135 nanometrów. Obecność faga P4 może powodować, że P2 tworzy mniejsze kapsydy. Ogon kończy się płytką podstawną, która jest centrum kontrolnym zakaźności faga. Płytka podstawna zawiera 6 włókien ogonka, które początkowo wiążą się z receptorami na ścianie komórkowej bakterii i białko kolca ogona, które następnie wiąże się nieodwracalnie z innymi receptorami na ścianie komórkowej.

Genom bakteriofaga P2 ma 33 592 bp dwuniciowego, liniowego DNA ze spójnymi końcami (numer dostępu AF063097). 42 geny w genomie można podzielić na trzy główne kategorie: (i) geny wymagane do wzrostu litycznego, (ii) geny zaangażowane w ustanowienie i utrzymanie lizogenezy (takie jak int i C ) oraz (iii) geny nieistotne (w tym old, tin i Z/fun ). Ponadto w genomie P2 znajduje się wiele otwartych ramek odczytu (ORF), które mogą kodować funkcjonalne białka.

Koło życia

Bakteriofag P2 jest fagiem umiarkowanym, co oznacza, że ​​może namnażać się litycznie (tj. kierując komórkę gospodarza w celu wytworzenia potomstwa faga i ostatecznie lizując żywiciela, gdy potomstwo faga opuszcza organizm), jak również zapoczątkować lizogenezę (tj. wstrzykując i łącząc swój materiał genetyczny z genom gospodarza bez lizy komórki) i utrzymuje się jako profag w genomie gospodarza.

Infekcja

Adsorpcja wirionu do komórki gospodarza jest kluczowym etapem infekcji fagowej, która jest niezbędna do późniejszego wiązania faga i wstrzyknięcia DNA faga. Podczas procesu adsorpcji włókno ogona faga P2 rozpoznaje i wiąże się z regionem rdzenia lipopolisacharydu E. coli , a następnie fag wstrzykuje swoje DNA do cytoplazmy.

Cykl lityczny

Wczesna transkrypcja

Ekspresja genu P2 jest regulowana w czasie podczas cyklu litycznego. Bezpośrednio po zakażeniu inicjowana jest wczesna transkrypcja, która odpowiada za ekspresję genów potrzebnych do późniejszej replikacji DNA. Wczesny operon zawiera 9 genów i jest transkrypcją promotora litycznego Pe. Pierwszy gen w operonie, oznaczony jako cox , koduje represor promotora lizogennego Pc i zapobiega ekspresji genów wymaganych do ustanowienia lizogenezy. Następnie fag wchodzi w cykl lityczny i rozpoczyna się wczesna transkrypcja. We wczesnym procesie transkrypcji wymagana jest tylko polimeraza RNA gospodarza σ ^{70 .}

replikacja DNA

Oprócz coxa , wczesny operon zawiera dwa inne geny, które są niezbędne do replikacji DNA P2, geny A i B. Replikacja genomu P2 jest inicjowana przez białko A i odbywa się ze stałego początku ( ori ) poprzez zmodyfikowany mechanizm toczącego się koła, który generuje dwuniciowe monomeryczne kręgi. Białko B może być wymagane do syntezy nici opóźnionej, ponieważ może wchodzić w interakcje z DnaB E. coli i działać jako moduł ładujący helikazę .

Aktywacja późnej transkrypcji

Późna transkrypcja genu jest inicjowana z czterech późnych promotorów po rozpoczęciu replikacji DNA i ekspresji aktywatora transkrypcji Ogr. Późne promotory, P _P , P _O , P _V i P _F, są aktywowane przez Ogr i kierują transkrypcją genów odpowiedzialnych za funkcje lityczne, jak również kodujących bloki budulcowe potomstwa fagów. Wszystkie cztery promotory mają region o częściowej symetrii diady, wyśrodkowany około 55 pz poniżej miejsca inicjacji transkrypcji. Ujawniona przez analizę delecji i podstawień zasad, ta symetria diady okazała się niezbędna dla aktywności promotora. Ponadto późne geny P2 mogą być również aktywowane bezpośrednio przez białka δ fagów satelitarnych P4 i ΦR73.

Liza

Podczas cyklu litycznego, podobnie jak inne fagi dwuniciowe, bakteriofag P2 stosuje układ holina-endolizyna do lizy komórki gospodarza. P2 ma dwa podstawowe geny lizy (gen K i gen Y) i dwa pomocnicze geny lizy ( lysA i lysB ). Produkt genu K ma duże podobieństwo sekwencji aminokwasów do genu R faga λ, który wykazuje funkcję endolizyny i atakuje wiązanie glikozydowe. Gen Y koduje polipeptyd wykazujący duże podobieństwo do rodziny białek holinowych, który tworzy „dziury” w błonie komórkowej i zapewnia drogę ucieczki endolizyny do ściany komórkowej. Nieistotne geny, lysA i lysB , wydają się odgrywać rolę w kontrolowaniu prawidłowego czasu lizy.

Cykl lizogeniczny

Integracja profaga

Podczas cyklu lizogenicznego genom P2 jest wstawiany do chromosomu gospodarza i utrzymywany jako profag. Integracja obejmuje specyficzną dla miejsca rekombinację między bakteryjnym miejscem przyłączania ( attB ) a miejscem przyłączania faga ( attP ), która generuje połączenia gospodarz-fag, attL i attR . Ta reakcja jest kontrolowana przez integrazę kodowaną przez faga i nie prowadzi do przyrostu ani utraty nukleotydów. Inny czynnik gospodarza integracji, IHF, jest również niezbędny w procesie integracji i służy jako białko architektoniczne, które wiąże i wygina DNA. Zatem mechanizm integracji faga P2 jest podobny do dobrze zbadanego systemu rekombinacji specyficznej dla miejsca λ, ale białka faga i ich miejsca wiązania DNA różnią się.

Utrzymanie lizogenezy

Stan lizogeniczny P2 jest promowany i utrzymywany przez represor C. Jest polipeptydem złożonym z 99 aminokwasów i wiąże się tylko z jednym regionem operatorowym, który reguluje ekspresję wczesnych genów: cox, B i prawdopodobnie A. Badania wykazały, że represor C może zarówno pozytywnie, jak i negatywnie regulować swój własny promotor Pc, ponieważ Pc jest regulowany w górę na niskim poziomie C i w dół na wysokich poziomach. Ponieważ represor C nie jest inaktywowany przez system SOS/RecA E. coli , profag P2 nie jest indukowany przez promieniowanie ultrafioletowe. Ponadto, nawet jeśli represor C jest inaktywowany, profag P2 nie jest w stanie wyciąć z powodu braku int . Dlatego P2 uznano za prototyp nieindukowalnej klasy fagów umiarkowanych. Mechanizm dotyczący tego, jak P2 rozwiązuje paradoks indukcji-wycięcia, wciąż pozostaje nieznany.

Kontrola wzrostu litycznego i lizogenicznego

Jak stwierdzono wcześniej, po zakażeniu fag P2 może wejść w cykl lityczny lub lizogenny. Decyzja lityczna/lizogenna po zakażeniu zależy od tego, który promotor przejmuje kontrolę, promotor lizogenny Pc lub promotor Pe, który kontrolował geny odpowiedzialne za cykl lityczny. Pc i Pe znajdują się naprzeciwko siebie i wzajemnie się wykluczają. Promotor Pe kieruje transkrypcją białka Cox, które hamuje promotor Pc, a tym samym zapobiega lizogenizacji, a promotor Pc kieruje transkrypcją represora C, który obniża poziom Pe. Tak więc uważa się, że to, który promotor przejmuje kontrolę, jest konsekwencją względnych stężeń białka Cox i represora C. Jeśli równowaga między represorem C a białkami Cox zostanie przesunięta w kierunku represora C po infekcji, wówczas fag wejdzie w lizogeniczny cykl życiowy, gdy promotor Pe zostanie wyłączony i odwrotnie.

Ewolucja bakteriofaga P2 i innych fagów podobnych do P2

Wiele badań wykazało, że genomy fagów składają się zarówno z genów podobnych do genów gospodarza lub innych genów fagów, jak i nowych genów, które wykazują niewielkie podobieństwo do jakichkolwiek znanych genów. Rodzina fagów podobnych do P2 nie jest wyjątkiem. Ich genomy mają wiele podobieństw, ale każdy z nich zawiera unikalne geny, w tym niektóre, których funkcje pozostają nieznane. W oparciu o kryterium zaproponowane przez Ackermanna, wiele fagów można taksonomicznie sklasyfikować jako podobne do P2, ponieważ mają one wspólne cechy z fagiem P2, ale do tej pory dostępnych jest tylko 6 pełnych genomów (P2, 186, ΦCTX, HP1, HP2 i K139 ).

Pokrewieństwo filogenetyczne 6 sekwencjonowanych fagów podobnych do P2

Ujawnione przez porównanie całego genomu, tylko dziewięć późnych genów (odpowiadających genom H, L, M, N, O, P, Q, S, T w fagu P2) i gen integrazy okazały się zarówno genetycznie podobne, jak i obecne we wszystkich 6 pełnych sekwencjonowanych genomów. Drzewa filogenetyczne oparte na sekwencjach aminokwasowych produktów 9 późnych genów są konstruowane oddzielnie i wszystkie wykazują identyczną topologię, co sugeruje, że mogą mieć tę samą historię ewolucyjną. Co więcej, te 9 późnych genów prawdopodobnie zostanie odziedziczonych klonalnie, ponieważ nic nie wskazuje na główne zdarzenia rekombinacyjne między nimi dla jakiejkolwiek pary fagów. Jednak w przypadku pozostałych genów poza tymi dziewięcioma ich związek filogenetyczny jest często niejednoznaczny i trudny do rozwiązania ich historii ewolucyjnej.

Rekombinacja homologiczna i niehomologiczna

Homologiczna rekombinacja odgrywa ważniejszą rolę w zmianach nukleotydów faga P2 niż mutacja , co nie jest zaskakujące, ponieważ profagi podobne do P2 są powszechne w populacji E. coli i stwierdzono, że zachodzi wymiana genetyczna między genomami gospodarza. Sekwencjonowanie pięciu późnych genów z 18 izolatów fagów podobnych do P2 wykazało, że rekombinacja homologiczna jest rozległa i występuje losowo w wielu punktach przerwania. Zmienność genetyczna późnych genów 18 bliskich krewnych jest niewielka, ponieważ największa różnica w jakimkolwiek genie wynosiła zaledwie 3,7%. Ponieważ było znacznie więcej zmienności w pozycjach synonimicznych niż niesynonimicznych w trzecim kodonie, te późne geny prawdopodobnie będą podlegać raczej silnej selekcji stabilizującej.

Oprócz rekombinacji homologicznej między spokrewnionymi fagami, rekombinacja niehomologiczna jest również kluczowym mechanizmem ewolucji fagów. Wysoki poziom podobieństw w genach włókna ogonka fagów P2, P1 , Mu , λ, K3 i T2 , które należą do różnych rodzin, wskazuje na niedoceniany wcześniej poziom niehomologicznej rekombinacji między niespokrewnionymi fagami. Ponieważ zakres żywicieli faga jest w dużej mierze zdeterminowany przez włókno ogona, odkrycie to sugeruje, że pod presją selekcyjną fagi prawdopodobnie zmienią swój zakres żywicieli, wykorzystując dostępną dla nich pulę genów.

Wkład w ewolucję gospodarza

Zdolność do przełączania między cyklem życia litycznym i lizogennym jest bardzo korzystna dla przeżycia faga. W dużej gęstej populacji gospodarzy izogenicznych preferowana jest strategia lityczna, a zjadliwość faga, jak również mechanizmy obronne gospodarza będą ewoluować w sposób wyścigu zbrojeń. Przeciwnie, lizogeneza jest faworyzowana, gdy gęstość komórek gospodarza nie jest wystarczająco wysoka do utrzymania gęstości fagów przez powtarzające się cykle infekcji litycznych.

Powszechnie wiadomo, że fag P2 może pośredniczyć w poziomym transferze genów po zakażeniu różnych bakterii. Podczas tego procesu fag P2 może służyć jako źródło nowych genów dla gospodarzy, które dostarczają materiałów do ewolucji i selekcji. W porównaniu z ewolucją poprzez mutacje i selekcję, zmiany genetyczne za pośrednictwem fagów mogą w krótkim czasie wpłynąć na drastyczne zmiany w metabolizmie i fizjologii bakterii, a także mogą nadawać gospodarzom sprawność. Na przykład Edlin i in. odkryli, że lizogenne E. coli mające profag λ, P1, P2 lub Mu mogą rosnąć szybciej niż nielizogenny odpowiednik w warunkach ograniczonej zawartości składników odżywczych. Ponadto wykazano, że profag P2 może przyczyniać się do rozprzestrzeniania cytoletalnych toksyn rozszerzających się wśród E. coli O157 i ułatwiać ich ekspansję niszową wśród różnych żywicieli zwierzęcych, co zapewnia nowy wgląd w patogenezę E. coli O157.

2. Bertani, G., STUDIA ON LYSOGENESIS I.: The Mode of Phage Liberation by Lysogenic Escherichia coli1. Journal of Bacteriology, 1951. 62 (3): s. 293.