Mykobakteriofag
Mykobakteriofag jest członkiem grupy bakteriofagów, o których wiadomo, że mają mykobakterie jako gatunek bakterii gospodarza. Chociaż pierwotnie wyizolowano z gatunków bakterii Mycobacterium smegmatis i Mycobacterium tuberculosis , czynnik sprawczy gruźlicy , od tego czasu wyizolowano ponad 4200 mykobakteriofagów z różnych źródeł środowiskowych i klinicznych. 2042 zostało całkowicie zsekwencjonowanych. Mykobakteriofagi służyły jako przykłady wirusowej lizogenezy oraz rozbieżnej morfologii i układu genetycznego charakterystycznego dla wielu typów fagów.
Wszystkie dotychczas znalezione mykobakteriofagi miały dwuniciowe genomy DNA i zostały sklasyfikowane na podstawie ich struktury i wyglądu jako siphoviridae lub myoviridae .
Odkrycie
Bakteriofag, który infekował Mycobacterium smegmatis w 1947 roku, był pierwszym udokumentowanym przykładem mykobakteriofaga. Stwierdzono go w kulturach bakterii pierwotnie rosnących w wilgotnym kompoście . Pierwszy bakteriofag infekujący M. tuberculosis został odkryty w 1954 roku.
Różnorodność
Tysiące mykobakteriofagów wyizolowano przy użyciu pojedynczego szczepu gospodarza, Mycobacterium smegmatis mc2155, z których ponad 1400 zostało całkowicie zsekwencjonowanych. Pochodzą one głównie z próbek środowiskowych, ale mykobakteriofagi zostały również wyizolowane z próbek kału z gruźlicą , chociaż nie zostały one jeszcze zsekwencjonowane. Zidentyfikowano około 30 różnych typów (zwanych klastrami lub singletonami, jeśli nie mają krewnych), które mają niewielkie podobieństwo sekwencji nukleotydów. Wiele klastrów obejmuje wystarczającą różnorodność, aby genomy uzasadniały podział na podgrupy (ryc. 1).
Istnieje również znaczny zakres ogólnej zawartości guaniny i cytozyny (GC%), od 50,3% do 70%, ze średnią 64% ( M. smegmatis wynosi 67,3%). Zatem % GC faga niekoniecznie odpowiada GC jego gospodarza, a wynikająca z tego niezgodność wykorzystania kodonów nie wydaje się być szkodliwa. Ponieważ wciąż odkrywane są nowe mykobakteriofagi pozbawione znacznego podobieństwa DNA z istniejącą kolekcją, a ponieważ istnieje co najmniej siedem singletonów, dla których nie wyizolowano żadnych krewnych, najwyraźniej musimy jeszcze nasycić różnorodność tej konkretnej populacji.
Zbiór >50 000 genów można podzielić na >3900 grup (tzw. rodziny , czyli rodziny białek fagowych) zgodnie z ich wspólną sekwencją aminokwasową. Większość z tych rodzin (~75%) nie ma homologów poza mykobakteriofagami i ma nieznaną funkcję. Badania genetyczne z mykobakteriofagiem Giles pokazują, że 45% genów jest nieistotnych dla wzrostu litycznego .
Zakres gospodarzy
Analiza zakresu żywicieli pokazuje, że nie wszystkie mykobakteriofagi z M. smegmatis infekują inne szczepy i tylko fagi w klastrze K i w niektórych podgrupach klastra A skutecznie infekują M. tuberculosis (ryc. 1). Jednak mutanty można łatwo wyizolować z niektórych fagów, które rozszerzają swój zakres żywicieli, aby zainfekować te inne szczepy. Jednak molekularne podstawy zakresu żywicieli zależą od zachowania i obecności określonych genów. Zwiększa to prawdopodobieństwo korelacji między rodzinami genów a preferowanym gospodarzem.
Dziedziny infekcji mykobakteriofagami nie są w pełni zrozumiałe, ponieważ obejmują różne mechanizmy, w tym dostępność receptora, modyfikację restrykcji, nieudaną infekcję i inne. W mechanizmach tych można pośredniczyć w kilku procesach, takich jak klastrowane krótkie powtórzenia palindromiczne z odstępami regulacyjnymi (CRISPR) i modyfikowany aparat translacyjny. Fagi pokonują te ograniczenia poprzez ewolucję, spontaniczną mutację i dywersyfikację.
Architektura genomu
Pierwszym zsekwencjonowanym genomem mykobakteriofaga był genom mykobakteriofaga L5 w 1993 r. W następnych latach zsekwencjonowano setki dodatkowych genomów. Mykobakteriofagi mają wysoce mozaikowe genomy. Sekwencje ich genomów wykazują dowody rozległego poziomego transferu genetycznego , zarówno między fagami, jak i między fagami a ich mykobakteryjnymi gospodarzami. Porównania tych sekwencji pomogły wyjaśnić, jak często tego typu wymiany genetyczne mogą zachodzić w przyrodzie, a także w jaki sposób fagi mogą przyczyniać się do patogeniczności bakterii .
W 2009 roku wyizolowano wybrane 60 mykobakteriofagów, a ich genomy zsekwencjonowano w 2009 roku. Te sekwencje genomów pogrupowano w klastry kilkoma metodami w celu określenia podobieństw między fagami i zbadania ich różnorodności genetycznej. Ponad połowa gatunków fagów została pierwotnie znaleziona w Pittsburghu lub w jego pobliżu , chociaż inne znaleziono w innych miejscach w Stanach Zjednoczonych, Indiach i Japonii. Nie stwierdzono wyraźnych różnic w genomach gatunków mykobakteriofagów pochodzących z różnych światów.
Stwierdzono, że genomy mykobakteriofagów zawierają podzbiór genów podlegających szybszemu przepływowi genetycznemu niż inne elementy genomów. Te geny „szybkiego przepływu” są częściej wymieniane między mykobakteriofagami i mają o 50 procent krótszą sekwencję niż przeciętny gen mykobakteriofaga.
Aplikacje
W przeszłości mykobakteriofagi były używane do „typowania” (tj. „diagnozowania”) prątków, ponieważ każdy fag infekuje tylko jeden lub kilka szczepów bakteryjnych. W latach 80. odkryto fagi jako narzędzia do genetycznej manipulacji gospodarzami. Na przykład faga TM4 użyto do skonstruowania straszyków wahadłowych , które replikują się jako duże kosmidy w Escherichia coli i jako fagi w prątkach. Wahadłowcem straszyków można manipulować w E. coli i wykorzystywać je do skutecznego wprowadzania obcego DNA do prątków.
Fagi z mykobakteryjnymi żywicielami mogą być szczególnie przydatne do zrozumienia i zwalczania infekcji mykobakteryjnych u ludzi. Opracowano system wykorzystujący mykobakteriofagi niosące gen reporterowy do badań przesiewowych szczepów M. tuberculosis pod kątem oporności na antybiotyki. W przyszłości mykobakteriofagi mogłyby być wykorzystywane do leczenia infekcji za pomocą terapii fagowej .
W 2019 roku zgłoszono, że trzy mykobakteriofagi podawano dożylnie dwa razy dziennie 15-letniej dziewczynce z mukowiscydozą i rozsianym zakażeniem M. abscessus subsp massiliense , które wystąpiło po przeszczepie płuc. Pacjent odniósł wyraźną korzyść z leczenia, a leczenie fagami w połączeniu z antybiotykami przedłużono o kilka lat. W 2022 roku zgłoszono, że dwa mykobakteriofagi podawano dożylnie dwa razy dziennie młodemu mężczyźnie z opornym na leczenie Mycobacterium abscessus subsp abscessus i ciężką mukowiscydozą choroba płuc. Hodowle dróg oddechowych dla M. abscessus stały się ujemne po około 100 dniach łącznego leczenia fagami i antybiotykami, a różne biomarkery potwierdziły odpowiedź terapeutyczną. Osobnik otrzymał obustronny przeszczep płuc po 379 dniach leczenia, a hodowle z usuniętej tkanki płucnej potwierdziły eradykację bakterii.
Linki zewnętrzne