Строение бактериофага умеренного лизогения: структура и цикл

Умеренный бактериофаг - это вирус бактерий, способный после проникновения в клетку не только разрушать её (лизис), но и интегрировать свой геном в хромосому хозяина, переходя в состояние профага (лизогения). Такая двойственность возможна именно благодаря особому строению вириона: каждый структурный элемент - от белков головки до игл базальной пластины - несёт конкретную функцию, определяющую судьбу заражённой клетки. Понимание молекулярной архитектуры фага лежит в основе вирусологии, фаговой биотехнологии и создания терапевтических систем доставки генов.

Общий план строения умеренного бактериофага

Классический умеренный бактериофаг (модельный объект - фаг лямбда, $\lambda$) имеет икосаэдрическую головку диаметром 50-65 нм, к которой присоединён хвост длиной 150-200 нм. Головка содержит генетический материал - двуцепочечную ДНК длиной около 48 500 пар оснований у $\lambda$. Хвост выполняет функции специфического распознавания рецептора на поверхности бактерии и инъекции ДНК.

Рассчитать для своей задачи

В отличие от вирулентных фагов T4 или T7, умеренные фаги несут дополнительный генетический груз - гены интеграции (int, xis) и лизогенной регуляции (cI, cII, cIII, cro). Именно эти гены кодируют белки, которые после проникновения в клетку «принимают решение» о судьбе инфекции. Структурные белки фага при этом не отличаются принципиально от таковых у вирулентных родственников - всё дело в дополнительном генетическом репертуаре.

Головка: капсид и упаковка ДНК

Головка бактериофага представляет собой икосаэдрический капсид, собранный из множества копий главного капсидного белка gpE (у $\lambda$ - около 405-420 молекул). Сборка происходит в два этапа: сначала формируется незрелый прокапсид (prohead I) из скаффолдинг-белков, затем скаффолдинг-белки выходят, ДНК упаковывается внутрь под действием АТФаз-терминазы (гены Nu1 и A у $\lambda$), и капсид переходит в зрелую форму prohead II с увеличенным внутренним объёмом.

ДНК фага лямбда упакована в головку в виде тороида с плотностью около 500 мг/мл - в 10 раз выше, чем в растворе. Такая высокая плотность упаковки создаёт внутреннее давление порядка 50 атмосфер, которое само по себе является движущей силой для инъекции ДНК в клетку при контакте с рецептором. Концы ДНК у $\lambda$ имеют однонитевые выступы (cos-сайты, 12 нт), которые после входа в клетку сшиваются лигазой хозяина в кольцевую форму - это первый шаг на пути к интеграции.

Хвостовой стержень и трубка: канал для инъекции

Хвост умеренного фага типа $\lambda$ - несократимый (noncontractile), в отличие от хвоста T4. Он состоит из дискового основания (хвостовой трубки), образованного повторяющимися субъединицами белка gpV (~32 субъединицы в 32 стеках), и внешней оболочки - хвостового стержня (gpH). Диаметр канала внутри трубки - около 3-4 нм, что достаточно для прохождения ДНК.

Несократимый хвост $\lambda$ работает иначе, чем сократимый хвост T4: при контакте с рецептором происходит конформационное изменение на дистальном конце - открывается «пробка» (хвостовой кончик, gpU), и ДНК выталкивается давлением. У фага Mu и P22 устройство хвоста принципиально то же, хотя длина и набор белков варьируют. Длина хвоста жёстко согласована с толщиной клеточной стенки бактерии-хозяина, что обеспечивает доставку ДНК непосредственно в цитоплазму.

Базальная пластина и аппарат распознавания рецептора

Дистальный конец хвоста у $\lambda$ несёт несколько специализированных белков: хвостовые фибры (gpJ) и хвостовой кончик (gpH). Именно белок gpJ у $\lambda$ контактирует с рецептором - белком-мальтозным порином LamB (OmpF) во внешней мембране E. coli. Специфичность взаимодействия gpJ-LamB определяет круг хозяев фага $\lambda$ - только штаммы E. coli, несущие ламинин-связывающий порин.

У более сложно устроенных фагов (T4, P22) базальная пластина - шестиугольная структура из десятков разных белков, несущая 6 длинных хвостовых нитей (long tail fibers) и 6 коротких штырей (pins). Длинные нити обеспечивают первичное, обратимое распознавание рецептора; штыри - необратимое закрепление и запуск сокращения чехла. У $\lambda$ аппарат упрощён: нет сократимого чехла, длинных нитей тоже нет - только один тип адгезина gpJ, встроенного непосредственно в кончик хвоста.

Рассчитать для своей задачи

Воротник и хвостовой коннектор

Место присоединения хвоста к головке - воротниковый комплекс (neck/connector). У $\lambda$ это белок gpW и gpFII, образующие двенадцатимерное кольцо, которое «закрывает» вершину икосаэдра и одновременно служит якорем для проксимального конца хвоста. Воротник выполняет барьерную функцию: он удерживает ДНК внутри головки до тех пор, пока хвост не зафиксируется на рецепторе. Только после необратимого связывания с LamB конформационный сигнал через хвост «открывает» воротник, и ДНК начинает поступать в клетку.

Аналог воротника у фага T4 - ещё более сложная структура (portal protein, воротниковые фибры), но принцип тот же: удержание ДНК до момента активации. У некоторых фагов воротник несёт «пробку» - специальный белок, временно блокирующий отверстие канала (у T7 - белок gp8). У $\lambda$ функцию пробки выполняет сам кончик хвоста gpU, который снимается при контакте с рецептором.

Геном умеренного фага: структурные и регуляторные области

Геном фага $\lambda$ (48 502 п.о.) организован функционально: «левое плечо» - гены упаковки ДНК и головки (Nu1-A-W-B-C-Nu3-D-E-FII-Z); центральная область - гены хвоста (U-V-G-T-H-M-L-K-J); «правое плечо» - гены репликации, рекомбинации и лизогении (O, P, Q, регуляторная область с промоторами $P_L, P_R$, гены N, cro, cII, O, P, Q, cI, int, xis, attP-сайт).

Принципиальное отличие умеренного фага от вирулентного - наличие гена cI (репрессор) и cro (антирепрессор). В лизогенном состоянии cI-репрессор связывает операторы $O_L$ и $O_R$, блокируя транскрипцию литических генов; при индукции SOS-ответом хозяина cI расщепляется, и фаг переходит к литическому размножению. Этот молекулярный переключатель кодируется в геноме, но его действие обеспечивается структурой - фаг сначала должен доставить ДНК внутрь клетки, а значит, всё начинается со структурных белков вириона.

Процесс заражения: от адсорбции до интеграции

Заражение умеренным бактериофагом проходит несколько этапов, каждый из которых определяется структурными элементами вириона. Сначала хвостовые фибры (или адгезин gpJ у $\lambda$) случайным диффузионным движением «нащупывают» рецептор на поверхности клетки - это обратимая стадия первичной адсорбции. Затем следует необратимое закрепление с конформационным изменением хвостового аппарата. После этого открывается канал, и ДНК под давлением (~50 атм) поступает в цитоплазму в течение секунд.

В цитоплазме cos-сайты на концах линейной ДНК соединяются в кольцо. Затем кольцевая ДНК либо сразу переходит к репликации (литический путь), либо, при участии белка CII и достаточной концентрации фаговых геномов, активируется промотор $P_{RE}$, нарабатывается репрессор cI, и часть кольцевых молекул встраивается в хромосому через сайт attB с помощью интегразы Int. Так рождается профаг - и вместе с ним лизогенная бактерия, несущая фаговый геном в каждой своей клетке-потомке. Подробнее о выборе между двумя путями читайте в материале о лизогении и лизисе у бактериофагов.

Рассчитать для своей задачи

Частые ошибки

• Путают несократимый хвост $\lambda$ с сократимым хвостом T4. Фаг $\lambda$ - умеренный с несократимым хвостом; сложная базальная пластина со шприцевым механизмом - это T4-подобные фаги.
• Считают, что умеренность - это свойство структуры, а не генома. Умеренность определяется наличием генов cI, int, xis и attP в геноме, а не формой вириона.
• Забывают о роли воротника. Воротниковый комплекс - активный «затвор», а не просто место стыковки головки и хвоста; он удерживает ДНК до специфической активации.
• Смешивают cos-сайты и att-сайт. cos-сайты - однонитевые выступы на концах линейной ДНК, нужны для кольцевизации; attP - сайт интеграции в хромосому хозяина.
• Не различают хвостовые фибры и адгезины. У $\lambda$ рецептор-связывающий белок - gpJ встроен в кончик хвоста; длинные хвостовые нити (long tail fibers) - это признак T4-подобных фагов.

FAQ

Чем умеренный бактериофаг отличается структурно от вирулентного? Структурно они могут быть очень похожи. Принципиальное отличие - в геноме: умеренный несёт гены cI (репрессор), int (интеграза), xis (эксцизионаза) и сайт attP, которые позволяют реализовать лизогенный путь. У вирулентных фагов (T4, T7) этих элементов нет.

Почему головка у бактериофага икосаэдрическая, а не сферическая? Икосаэдр - самая эффективная форма для сборки замкнутой оболочки из одинаковых белковых субъединиц: 60 или кратное 60 число молекул образуют симметричную структуру без дефектов. Такая сборка идёт самопроизвольно и не требует специального «шаблона» для каждой позиции.

Как структура хвоста связана с кругом хозяев фага? Рецептор-связывающий домен хвостового белка (gpJ у $\lambda$) комплементарен конкретному рецептору на поверхности бактерии (LamB у E. coli). Мутации в gpJ меняют специфичность и круг хозяев. Именно поэтому большинство фагов заражают только один или несколько близкородственных штаммов.

Коротко

Умеренный бактериофаг - это вирион, построенный по плану «головка-хвост»: икосаэдрический капсид с ДНК под высоким давлением, воротниковый комплекс как активный «затвор», несократимый хвостовой стержень как канал для инъекции и адгезин gpJ на кончике хвоста для специфического распознавания рецептора LamB. Умеренность фага определяется не строением вириона, а геномом - наличием генов cI, int, xis и сайта attP, которые после доставки ДНК в клетку позволяют реализовать лизогенный путь: интеграцию в хромосому и передачу профага всем потомкам.