Что такое бактериофаги?
Бактериофаги, также известные как фаги, представляют собой вирусы, которые заражают и размножаются только в бактериальных клетках. Они повсеместно распространены в окружающей среде и считаются самым распространенным биологическим агентом на Земле. Они чрезвычайно разнообразны по размеру, морфологии и геномной организации. Однако все они состоят из генома нуклеиновой кислоты, окруженного кодируемыми фагом капсидными белками, которые защищают генетический материал и опосредуют его доставку в следующую клетку-хозяина. Электронная микроскопия позволила детально визуализировать сотни типов фагов, некоторые из которых имеют «головы», «ноги» и «хвосты». Тем не менее бактериофаги неподвижны и используют броуновское движение для достижения своих целей.
Как и все вирусы, бактериофаги очень видоспецифичны для своих хозяев и обычно заражают только один вид бактерий или даже некоторые штаммы данного вида. Когда бактериофаг прикрепляется к восприимчивому хозяину, он использует одну из двух стратегий репликации: литическую или лизогенную.
Во время цикла литической репликации фаг прикрепляется к уязвимой бактерии-хозяину, вставляет свой геном в цитоплазму клетки-хозяина и использует рибосомы хозяина для производства своих белков. Ресурсы клетки-хозяина быстро превращаются в вирусные геномы и капсидные белки, которые собираются в несколько копий исходного фага. Когда клетка-хозяин умирает, она активно или пассивно лизируется, высвобождая новый бактериофаг, который заражает другую клетку-хозяина.
В цикле лизогенной репликации фаг также прикрепляется к восприимчивой бактерии-хозяину и вводит свой геном в цитоплазму клетки-хозяина. Геном фага, однако, интегрируется в хромосому бактериальной клетки или сохраняется как эписомальный элемент, где в обоих случаях он реплицируется и переносится в дочерние клетки бактерий, не убивая их. Интегрированные геномы фагов называются профагами, а содержащие их бактерии — лизогенами. Профаги могут вернуться к циклу литической репликации и убить своего хозяина, чаще всего в ответ на изменение условий окружающей среды.
Функция бактериофагов
Хотя бактериофаги не могут инфицировать и размножаться в клетках человека, они являются важной частью микробиома человека и важным посредником в генетическом обмене между патогенными и непатогенными бактериями. Перенос генов от одного бактериального штамма к другому с помощью бактериофага называется трансдукцией и может быть генерализованным или специфичным.
- При «генерализованной» трансдукции случайные фрагменты бактериальной геномной ДНК упаковываются внутри фаговых капсидов вместо фаговой геномной ДНК, когда клетка-хозяин распадается в результате литической репликации. Если фаг, несущий эту бактериальную ДНК, ввести в здоровую клетку-хозяина, он может интегрироваться в бактериальную хромосому, изменяя ее геном и геном дочерних клеток.
- Считается, что при «специализированной» трансдукции лизогенные фаги, размножающиеся в бактериальной популяции, сжимают часть бактериальной ДНК вместе со своим геномом, инициируя цикл литической репликации. Поскольку лизогены имеют один и тот же сайт интеграции, все дочерние фаги передают один и тот же бактериальный ген своим новым хозяевам.
В дополнение к генетическому обмену бактериофаги могут изменять микробные популяции, питаясь определенными видами бактерий, не нанося вреда другим. Уже более 100 лет исследователи пытаются использовать это свойство для лечения патогенных бактериальных инфекций человека и животных. Хотя дикий фаг, вероятно, оказывает временное воздействие на популяции диких бактерий, существует множество препятствий для клинического применения литических бактериофагов в качестве антибактериальной терапии (фаговой терапии) у людей.
Во-первых, штаммы диких бактерий очень разнообразны, и многие из них устойчивы к одному или нескольким фагам. Известно много механизмов резистентности, т.е. Одним из хорошо известных примеров является система CRISPR-Cas9, признанная в настоящее время инструментом генетических манипуляций в лаборатории, которая возникла как бактериальный защитный механизм от заражения бактериофагами. Более того, фаги гораздо более иммуногенны, чем противомикробные препараты, и быстро выводятся из крови через ретикулоэндотелиальную систему. Их большой размер по сравнению с противомикробными препаратами, вероятно, ограничит их использование для местного применения, если удастся найти эффективные фаговые коктейли. Некоторые исследователи предположили, что более простой стратегией может быть использование ферментов фагов, которые могут проникать через стенки бактериальных клеток. На сегодняшний день не проводилось рандомизированных двойных слепых контролируемых испытаний, чтобы продемонстрировать эффективность какой-либо из этих стратегий на людях.
Клиническое значение
Фаги имеют клиническое значение по нескольким причинам. Во-первых, многие высокопатогенные бактериальные токсины кодируются геномами бактериофагов, так что бактерия-хозяин является патогенной только тогда, когда она лизогенизирована фагом, кодирующим токсин. Примерами являются холерный токсин в Vibrio cholerae, дифтерийный токсин в Corynebacterium diphtheriae, ботулинический нейротоксин в Clostridium botulinum, бинарный токсин в Clostridium difficile и шига-токсин из видов Shigella. Без токсинов, кодируемых фагами, эти виды бактерий либо намного менее патогенны, либо вообще не патогенны. Неизвестно, почему фаги кодируют эти токсины. В то время как холерный токсин, вероятно, помогает как фагу, так и хозяину достичь своей следующей жертвы, вызывая обильную водянистую диарею, паралич, вызванный ботулиническим токсином, по-видимому, имеет противоположный эффект.
Во-вторых, бактериофаги являются переносчиками горизонтального переноса генов, в том числе генов устойчивости к противомикробным препаратам. Разработаны также методы встраивания генов в конкретные штаммы с целью получения клинического эффекта, хотя их применение в настоящее время проходит испытания.
Третьим клинически значимым аспектом бактериофагов является то, что их обнаружение можно использовать в качестве биомаркера присутствия их хозяина в сложной пробе окружающей среды. Они чаще всего используются в качестве заменителя фекального загрязнения источников воды. Если присутствует фаг, вероятно, присутствует и хозяин. Фаги, с другой стороны, были разработаны для производства обнаруживаемой молекулы, такой как люцифераза, когда они заражают своего хозяина в качестве средства обнаружения бактерий в смешанном образце окружающей среды.
Хотя бактериофаги в значительной степени вытеснены новыми технологиями, они также важны с клинической точки зрения из-за их способности различать штаммы одного и того же вида бактерий. Большинство изученных видов бактерий имеют более одного патогенного бактериофага, так же как люди как вид восприимчивы к более чем одному вирусу. Различные штаммы внутри вида устойчивы к одним фагам, но не устойчивы к другим. Систематически заражая каждый штамм стандартной фаговой панелью для данного вида, можно идентифицировать каждый штамм на основе типа чувствительности и устойчивости к каждому типу фага. Стандартизированная панель бактериофагов, распространенных по всему миру, использовалась для типирования фагов Staphylococcus aureus, например, для дифференциации штаммов S. aureus. До разработки для этой цели молекулярных методов, таких как мультилокусное типирование последовательностей и гель-электрофорез в пульсирующем поле, фаговое типирование было стандартным критерием отслеживания штаммов в эпидемиологических целях.
Наконец, бактериофаги были первым обнаруженным типом вируса и способствовали многим фундаментальным открытиям в молекулярной биологии. Например, с помощью бактериофагов были обнаружены доказательства того, что ДНК является геном, передающим генетическую информацию, основные механизмы регуляции генов и генетический код — и это лишь некоторые из них.
