Bakteriofág P2 - Bacteriophage P2

Virus Escherichia P2
PhageP2.jpg
Klasifikace virů E
(bez hodnocení):Virus
Oblast:Duplodnaviria
Království:Heunggongvirae
Kmen:Uroviricota
Třída:Caudoviricetes
Objednat:Caudovirales
Rodina:Myoviridae
Rod:Peduovirus
Druh:
Virus Escherichia P2

Bakteriofág P2, odborný název Virus Escherichia P2,[1] je mírný fág který infikuje E-coli. Jedná se o sledovaný virus s kontraktilním obalem, a proto je zařazen do rodu Peduovirus (dříve P2likevirus), podčeleď Peduovirinae, rodina Myoviridae v pořádku Caudovirales. Tento rod virů zahrnuje mnoho fágů podobných P2 i satelitní fág P4.[2]

Objev

Bakteriofág P2 byl poprvé izolován G. Bertanim z kmene Lisabonne a Carrère z E-coli v roce 1951.[3] Od té doby bylo izolováno velké množství P2 podobných proroků (např. 186, HP1, HK239 a WΦ), které sdílely znaky, jako je rozsah hostitelů, sérologická příbuznost a neschopnost rekombinace s fág λ, a zdálo se, že jsou docela běžné v E-coli populace jako asi 30% kmenů v E-coli reference collection (SABC) obsahují P2-like prophages.[4] Z těchto profágů podobných P2 je nejlépe charakterizován P2. Bylo zjištěno, že fág P2 je schopen se množit v mnoha kmenech E-coli, stejně jako v kmenech mnoha dalších druhů včetně Serratia, Klebsiella pneumoniae, a Yersinia sp,[5] což naznačovalo, že to hrálo důležitou roli v horizontální přenos genů v bakteriální evoluci.

Genom a morfologie

Fág P2 má a dvouvláknová DNA genom zabalený v icosahedral kapsida o průměru 60 nanometrů, která je spojena s ocasem dlouhým 135 nanometrů. Přítomnost fágu P4 může způsobit, že P2 vytvoří menší kapsidy.[6] Ocas končí na základní desce, která je kontrolním centrem pro fágovou infekčnost. Základní deska obsahuje 6 ocasních vláken, která se zpočátku váží na receptory na bakteriální buněčné stěně a ocasní špičatý protein, který se následně nevratně váže na další receptory na buněčné stěně.

Genom bakteriofága P2 je 33 592 bp dvouvláknové lineární DNA s kohezivními konci (přírůstkové číslo AF063097). 42 genů v genomu lze rozdělit do tří hlavních kategorií: (i) geny potřebné pro lytický růst, (ii) geny zapojené do vytváření a udržování lysogeny (jako int a C) a (iii) neesenciální geny (včetně starý, plechový a Z / zábavný). Dále řada otevřené čtecí rámce (ORF) se nachází v genomu P2, který může kódovat funkční proteiny.[5]

Životní cyklus

Bakteriofág P2 je mírný fág, což znamená, že se může lyticky šířit (tj. Řídit hostitelskou buňku k produkci fágových potomků a nakonec lyžovat hostitele, když fágové potomci odejdou), a také založit lysogeny (tj. Injikovat a fúzovat svůj genetický materiál do genom hostitele bez lýzy buňky) a udržovat jako prorok v hostitelském genomu.

Infekce

Adsorpce virionu do hostitelské buňky je klíčovým krokem při fágové infekci, která je nezbytná pro následující vazbu fága a injekci fágové DNA. Během adsorpčního procesu ocasní vlákno fága P2 rozpoznává a váže se na oblast jádra lipopolysacharidu E-colia potom by fág injikoval svou DNA do cytoplazmy.[5][7]

Lytický cyklus

Časný přepis

Genová exprese P2 je regulována v průběhu lytického cyklu. Včasná transkripce, která je zodpovědná za expresi genů potřebných pro následující replikaci DNA, je zahájena ihned po infekci. Raný operon obsahuje 9 genů a přepisuje z lytického promotér Pe. První gen v operonu, určený kormidelník, kóduje represor lysogenního promotoru Pc a brání expresi genů potřebných pro navázání lysogeny.[8][9] Poté fág vstoupí do lytického životního cyklu a začne časná transkripce. Pouze hostitel σ70 RNA polymeráza je vyžadována v procesu časného transkripce.[9]

replikace DNA

kromě kormidelníkraný operon obsahuje dva další geny, které jsou nezbytné pro replikaci P2 DNA, geny A a B.[10][11] Replikace genomu P2 je iniciována proteinem A a probíhá z fixního původu (nebo já) prostřednictvím upraveného mechanismu valivých kruhů, který generuje dvouvláknové monomerní kruhy.[12][13] B protein může být potřebný pro syntézu zaostávajícího řetězce, protože s ním může interagovat E. coli DnaB a fungují jako helikáza nakladač.[14]

Aktivace pozdní transkripce

Transkripce pozdního genu je zahájena čtyřmi pozdními promotory, jakmile byla zahájena replikace DNA a byl exprimován transkripční aktivátor Ogr.[15][16] Pozdní promotéři, PP, PÓ, PPROTI a PF, jsou aktivovány Ogrem a řídí transkripci genů odpovědných za lytické funkce, stejně jako kódování stavebních bloků pro fágové potomky.[5][17][18] Všechny čtyři promotory mají oblast s částečnou dyadmetrickou symetrií soustředěnou kolem 55 bp za transkripčním iniciačním místem. Odhaleno deleční analýzou a základními substitucemi, ukázalo se, že tato dyadová symetrie je nezbytná pro aktivitu promotoru.[9][19][20] Kromě toho mohou být pozdní geny P2 také aktivovány přímo pomocí proteinů 5 satelitních fágů P4 a ΦR73.[9][21]

Lyza

Během lytického cyklu, podobně jako u jiných dvouřetězcových fágů, bakteriofág P2 aplikuje holin-endolysinový systém k lýze hostitelské buňky. P2 mají dva základní geny pro lýzu (gen K a gen Y) a dva pomocné geny pro lýzu (lysA a lysB).[9][22] Produkt genu K má rozsáhlou podobnost aminokyselinové sekvence s genem R ve fágu λ, který vykazuje funkci endolysinu a napadá glykosidovou vazbu. Gen Y kóduje polypeptid sdílející vysokou podobnost s rodinou proteinů holinu, který vytváří „otvory“ v buněčné membráně a poskytuje cestu pro únik endolysinu do buněčné stěny. Neesenciální geny, lysA a lysBZdá se, že hrají roli při správném načasování lýzy.[23]

Lysogenní cyklus

Prophage integrace

Během lysogenního cyklu je P2 genom vložen do hostitelského chromozomu a udržován jako profág. Integrace zahrnuje site-specific rekombinace mezi místem připojení bakterií (attB) a web pro připojení fága (attP), který generuje spojení host-fág, attL a attR. Tato reakce je řízena integrázou kódovanou fágem a nevede k žádnému zisku nebo ztrátě nukleotidů.[9] Další integrační hostitelský faktor, IHF, je také nezbytný v procesu integrace a slouží jako architektonický protein, který váže a ohýbá DNA.[16][24] Integrační mechanismus fága P2 je tedy podobný dobře studovanému λ místně specifickému rekombinačnímu systému, ale fágové proteiny a jejich vazebná místa pro DNA se liší.[9][25]

Udržování lysogeny

Lysogenní stav P2 je podporován a udržován C represorem. Jedná se o polypeptid s 99 aminokyselinami a váže se pouze na jednu operátorovou oblast, která reguluje expresi časných genů: cox, B a možná A. Výzkum ukázal, že C represor může jak pozitivně, tak negativně regulovat svůj vlastní promotor Pc, protože Pc je regulován nahoru při nízké úrovni C a dolů regulován při vysokých úrovních.[16][26] Protože represor C není inaktivován systémem SOS / RecA systému E-coli, P2 prophage je neindukovatelný ultrafialovým zářením. Navíc, i když je represor C deaktivován, prophage P2 není schopen excise kvůli nedostatku int výraz.[5][27] Proto byl P2 považován za prototyp pro neindukovatelnou třídu mírných fágů.[9] Mechanismus toho, jak P2 řeší paradox indukce a excize, zůstává neznámý.

Kontrola lytického versus lysogenního růstu

Jak již bylo uvedeno výše, po infekci může fág P2 vstoupit do lytického nebo lysogenního cyklu. Lytické / lysogenní rozhodnutí po infekci závisí na tom, který promotor převezme velení, lysogenní promotor Pc nebo promotor Pe, který ovládal geny odpovědné za lytický cyklus.[16] Pc a Pe jsou umístěny tváří v tvář a vzájemně se vylučují. Promotor Pe řídí transkripci proteinu Cox, který potlačuje promotor Pc, a tím brání lysogenizaci, a promotor Pc řídí transkripci represoru C, která reguluje Pe.[5][26][28] To, který promotor převezme velení, se tedy považuje za důsledek relativních koncentrací proteinu Cox a represoru C. Pokud se rovnováha mezi C represorem a Cox proteiny po infekci posune směrem k C represoru, pak fág vstoupí do lysogenního životního cyklu, protože bude vypnut promotor Pe a naopak.[16]

Vývoj bakteriofága P2 a dalších fágů podobných P2

Spousta výzkumů ukázala, že fágové genomy se skládají z obou genů podobných hostitelským genům nebo jiných fágových genů, a nových genů, které vykazují malou podobnost s jakýmikoli známými geny.[9][29][30] Fágová rodina podobná P2 není výjimkou. Jejich genomy mají hodně podobnosti, ale každý z nich obsahuje jedinečné geny, včetně těch, které zůstávají neznámé. Na základě kritéria navrženého Ackermannem lze mnoho fágů taxonomicky klasifikovat jako P2, protože sdílejí některé znaky s fágem P2,[31] ale dosud je k dispozici pouze 6 kompletních genomů (P2, 186, ΦCTX, HP1, HP2 a K139).[9]

Fylogenetický vztah 6 sekvenovaných fágů podobných P2

Zjištěno srovnáním celého genomu, bylo zjištěno, že pouze devět pozdních genů (odpovídající genům H, L, M, N, O, P, Q, S, T ve fágu P2) a gen integrázy jsou jak geneticky podobné, tak přítomné ve všech 6 plně sekvenovaných genomů. Fylogenetické stromy založené na aminokyselinových sekvencích 9 produktů pozdního genu jsou konstruovány samostatně a všechny vykazují identickou topologii, což naznačuje, že mohou mít stejnou evoluční historii. Dále je pravděpodobné, že těchto 9 pozdních genů bude zděděno klonálně, protože u žádného páru fágů neexistuje žádný náznak významných rekombinačních událostí mezi nimi. U zbývajících genů kromě těchto devíti je však jejich fylogenetický vztah často nejednoznačný a je těžké vyřešit jejich evoluční historii.[9]

Homologní a nehomologní rekombinace

Homologní rekombinace hraje důležitější roli při nukleotidových změnách fága P2 než mutace, což není překvapující, protože v nich převažují P2 proroci E-coli populace a genetická výměna se vyskytuje mezi hostitelskými genomy.[9][32] Sekvenování pěti pozdních genů z 18 izolátů fágů podobných P2 ukázalo, že homologní rekombinace je rozsáhlá a vyskytuje se náhodně v několika hraničních bodech. Genetické variace v pozdních genech 18 blízkých příbuzných jsou malé, protože největší rozdíl v jakémkoli genu byl pouze 3,7%. Protože tam bylo mnohem více variací v synonymních spíše než nesynonymních pozicích třetího kodonu, tyto pozdní geny pravděpodobně podléhají poměrně silné stabilizační selekci.[9][33]

Kromě homologní rekombinace mezi souvisejícími fágy nehomologní rekombinace je také klíčovým mechanismem pro vývoj fágů. Vysoká úroveň podobností v genech ocasních vláken fága P2, P1, Mu, λ, K3 a T2, které patří do různých rodin, naznačuje dříve neocenitelnou úroveň nehomologní rekombinace mezi nesouvisejícími fágy. Protože hostitelský rozsah fága je do značné míry určen ocasním vláknem, toto zjištění naznačuje, že za selektivních tlaků fágy pravděpodobně změní svůj hostitelský rozsah využitím genofondu, který mají k dispozici.[7][9]

Příspěvek k vývoji svého hostitele

Schopnost přepínání mezi lytickým a lysogenním životním cyklem je velmi prospěšná pro přežití fága. U velké husté populace isogenních hostitelů je upřednostňována lytická strategie a fágová virulence i obranné mechanismy hostitele se budou vyvíjet způsobem ve zbrojení. Naopak, lysogeny jsou upřednostňovány, když hustota hostitelských buněk není dostatečně vysoká pro udržení hustoty fágů opakovanými cykly lytických infekcí.[34]

Je dobře známo, že fág P2 má potenciál zprostředkovat horizontální přenos genů po infekci různých bakterií. Během tohoto procesu může fág P2 sloužit hostitelům jako zdroj nových genů, což poskytuje materiály pro evoluci a selekci. Ve srovnání s evolucí prostřednictvím mutace a selekce mohou fágem zprostředkované genetické změny ovlivnit drastické změny bakteriálního metabolismu a fyziologie v krátké době a mohou svým hostitelům poskytnout kondici. Například Edlin a kol. zjistil, že lysogenní E-coli mající prophage λ, P1, P2 nebo Mu by mohlo růst rychleji než nelysogenní protějšek za podmínek omezených na živiny.[35][36] Dále se ukázalo, že P2 prophage může přispět k šíření cytolethalových toxinů E-coli O157 kmeny a usnadnit jejich expanzi do niky mezi různými zvířecími hostiteli, což poskytuje nové poznatky o patogenezi E-coli O157.[37]

Reference

  1. ^ „Historie taxonomie ICTV: Virus Escherichia P2". Mezinárodní výbor pro taxonomii virů. Citováno 2019-01-14.
  2. ^ Bowden, DW; Modrich, P (10. června 1985). "In vitro zrání kruhového bakteriofága P2 DNA. Čištění ter složek a charakterizace reakce". The Journal of Biological Chemistry. 260 (11): 6999–7007. PMID  2987239.
  3. ^ Bertani, G., STUDIE O LYSOGENEZE I .: Režim osvobození fága od Lysogenic Escherichia coli1. Journal of Bacteriology, 1951. 62(3): str. 293.
  4. ^ Nilsson, A.S., J.L. Karlsson a E. Haggård-Ljungquist, Site-specific recombination links the evolution of P2-like coliphages and pathogenic enterobacteria. Molekulární biologie a evoluce, 2004. 21(1): str. 1-13.
  5. ^ A b C d E F Haggård-Ljungquist, E., C. Halling a R. Calendar, Sekvence DNA genů ocasních vláken bakteriofága P2: důkazy o horizontálním přenosu genů ocasních vláken mezi nepříbuznými bakteriofágy. Journal of Bacteriology, 1992. 174(5): str. 1462-1477.
  6. ^ Dearborn, AD; Laurinmaki, P; Chandramouli, P; Rodenburg, CM; Wang, S; Butcher, SJ; Dokland, T (9. dubna 2012). "Struktura a stanovení velikosti bakteriofágů P2 a P4 procapsidů: Funkce mutací citlivosti na velikost". Journal of Structural Biology. 178 (3): 215–24. doi:10.1016 / j.jsb.2012.04.002. PMC  3361666. PMID  22508104.
  7. ^ A b Haggård-Ljungquist, E., C. Halling a R. Calendar, Sekvence DNA genů ocasních vláken z bakteriofág P2: důkazy o horizontálním přenosu genů ocasních vláken mezi nepříbuznými bakteriofágy. Journal of Bacteriology, 1992. 174(5): str. 1462-1477.
  8. ^ Saha, S., E. Haggård-Ljungquist a K. Nordström, Kofosový protein bakteriofága P2 inhibuje tvorbu represorového proteinu a autoreguluje časný operon. EMBO Journal, 1987. 6(10): str. 3191.
  9. ^ A b C d E F G h i j k l m n Nilsson, A. a E. Haggård-Ljungquist. Bakteriofágy podobné P2. V R. Calendar (ed.), Theacteriophages. Oxford Press, Oxford, 2005: str. 365-390
  10. ^ Lindahl, G., Genetická mapa bakteriofága P2. Virology, 1969. 39(4): str. 839-860
  11. ^ Lindqvist, B.H., Vegetativní DNA mírného kolifágu P2. Molekulární a obecná genetika, 1971. 110(2): str. 178-196.
  12. ^ Liu, Y. a E. Haggård-Ljungquist, Studie replikace DNA bakteriofága P2: lokalizace místa štěpení proteinu A. Nucleic Acids Research, 1994. 22(24): str. 5204-5210.
  13. ^ Odegrip, R. a E. Haggård-Ljungquist, Dva tyrosinové zbytky aktivního místa proteinu A hrají nerovnocenné role během zahájení replikace klouzavého kruhu bakteriofága P2. Journal of Molecular Biology, 2001. 308(2): str. 147-163.
  14. ^ Odegrip, R. a kol., Interakce bakteriofágového proteinu P2 B s Escherichia coli DnaB helikáza. Journal of Virology, 2000. 74(9): str. 4057-4063.
  15. ^ Wood, L.F., N.Y. Tszine a G.E. Christie, Aktivace pozdní transkripce P2 proteinem P2 ogr vyžaduje diskrétní kontaktní místo na C konci alfa podjednotky RNA polymerázy Escherichia coli. Journal of Molecular Biology, 1997. 274(1): str. 1-7.
  16. ^ A b C d E Mandali, S., Specifické pro daný web rekombinace fágů podobných P2; možné nástroje pro bezpečnou genovou terapii: Zaměření na fág ΦD145. 2010.
  17. ^ Birkeland, N.K. a B.H. Lindqvist, Coliphage P2 pozdní kontrolní gen: identifikace DNA sekvence a produktu. Journal of Molecular Biology, 1986. 188(3): str. 487-490.
  18. ^ Christie, G.E., et al., Regulace exprese pozdního genu bakteriofága P2: gen ogr. Sborník Národní akademie věd, 1986. 83(10): str. 3238-3242.
  19. ^ Grambow, N.J., et al., Analýza delece pozdního promotoru bakteriofága P2. Gene, 1990. 95(1): str. 9-15.
  20. ^ Van Bokkelen, G. a kol., Mutační analýza bakteriofágového pozdního promotoru P4. Journal of Bacteriology, 1991. 173(1): str. 37-45.
  21. ^ Clerch, B., E. Rivera a M. Llagostera, Bakteriofág PSP3 a phi R73 aktivátorové proteiny: analýza specificit promotoru. Journal of Bacteriology, 1996. 178(19): str. 5568-5572.
  22. ^ Ziermann, R. a kol., Funkce zapojené do lýzy hostitelských buněk indukované bakteriofágy P2 a identifikace nového genu ocasu. Journal of Bacteriology, 1994. 176(16): str. 4974-4984.
  23. ^ Zimecki, M. a kol., Bakteriofágy poskytují regulační signály v mitogenem indukované proliferaci myších splenocytů. Cell Mol Biol Lett, 2003. 8(3): str. 699-711.
  24. ^ Yu, A. a E. Haggård-Ljungquist, Charakterizace vazebných míst dvou proteinů zapojených do místně specifického rekombinačního systému bakteriofága P2. Journal of Bacteriology, 1993. 175(5): str. 1239-1249.
  25. ^ Landy, A., Dynamické, strukturální a regulační aspekty lokální specifické rekombinace lambda. Annual Review of Biochemistry, 1989. 58(1): str. 913-941.
  26. ^ A b Saha, S., B. Lundqvist a E. Haggård-Ljungquist, Autoregulace bakteriofága P2 represor. EMBO Journal, 1987. 6(3): str. 809.
  27. ^ Bertani, L.E., Abortivní indukce bakteriofága P2. Virologie, 1968. 36(1): str. 87-103.
  28. ^ Yu, A. a E. Haggård-Ljungquist, Protein Cox je modulátorem směrovosti v bakteriofágu P2 site-specific rekombinace. Journal of Bacteriology, 1993. 175(24): str. 7848-7855.
  29. ^ Botstein, D., TEORIE MODULÁRNÍHO VÝVOJE PRO BACTERIOPHAGE *. Annals of the New York Academy of Sciences, 1980. 354(1): str. 484-491.
  30. ^ Hendrix, R.W., et al., Evoluční vztahy mezi různými bakteriofágy a profágy: fág celého světa. Sborník Národní akademie věd, 1999. 96(5): str. 2192-2197.
  31. ^ Ackermann, H.-W., Sledovaný bakteriofágy: řád Caudovirales. Advances in Virus Research, 1999. 51: str. P135-P202.
  32. ^ Feil, E.J. a kol., Rekombinace v přirozených populacích patogenních bakterií: krátkodobé empirické odhady a dlouhodobé fylogenetické důsledky. Sborník Národní akademie věd, 2001. 98(1): str. 182-187.
  33. ^ Nilsson, A.S. a E. Haggård-Ljungquist, Detekce homologní rekombinace mezi příbuznými bakteriofága P2. Molekulární fylogenetika a evoluce, 2001. 21(2): str. 259-269.
  34. ^ Nilsson, A.S. a E. Haggård-Ljungquist, Vývoj fágů podobných P2 a jejich dopad na vývoj bakterií. Výzkum v mikrobiologii, 2007. 158(4): str. 311-317.
  35. ^ Edlin, G., L. Lin a R. Kudrna, λ Lysogeny E. coli se množí rychleji než nelysogeny. 1975.
  36. ^ Edlin, G., L. Lin a R. Bitner, Reprodukční zdatnost P1, P2 a Mu lysogenů Escherichia coli. J. Virol, 1977. 21(2): str. 560-564.
  37. ^ Svab, D., et al., Variabilita sekvence profágových genomů podobných P2 nesoucích cytolethal distendující toxin V operon v Escherichia coli O157. Appl Environ Microbiol, 2013. 79(16): str. 4958-64.

2. Bertani, G., STUDIE O LYSOGENEZE I .: Režim osvobození fága od Lysogenic Escherichia coli1. Journal of Bacteriology, 1951. 62(3): str. 293.