Біологія та екологія бактеріофагів 
При першому типі взаємодії розмноження вірусу відбувається
шляхом послідовного перебігу таких стадій: 1) адсорбція вірусу на клітинах; 2)
проникнення вірусу в клітину; 3) роздягання (депротеїнізація оболонки) вірусу в
клітині; 4) транскрипція нуклеїнової кислоти; 5) трансляція інформаційних РНК;
6) реплікація генома; 7) складання вірусних компонентів і вихід дозрілих вібріонів
з клітини хазяїна (рис. 4).
Адсорбція. Першу стадію проникнення вірусів у клітину — прикріплення їх
до клітинної стінки, можливе через електростатичну взаємодію позитивно і
негативно заряджених угруповань на поверхні вірусу і клітини, — називають
адсорбцією. Це високо специфічний процес. Структури вібріону, що уможливлюють
його адсорбцію на клітині, називаються вірусними рецепторами або прикріплюючими
білками, оскільки вони «впізнають» специфічні угруповання на мембрані клітини і
зумовлюють прикріплення до них вірусу.
Кількість специфічних рецепторів на поверхні клітини може
складати до 105 на одну клітину. Наявність відповідних рецепторів —
один із важливих факторів, що визначають можливість чи неможливість для даного
вірусу спричиняти інфекційний процес у клітині. Саме відсутністю специфічних
рецепторів пояснюють стійкість деяких клітин і організмів до зараження певними
вірусами.
Після того, як вібріон адсорбувався на поверхні клітини,
починається друга стадія — проникнення його в клітину. Перехід цілого вібріону
крізь цитоплазматичну мембрану може відбуватися шляхом віропексису (піноцитозу)
або внаслідок злиття цитоплазматичної мембрани з оболонкою вібріону.
Вважається, що ці механізми доповнюють один одного. Фітопатогенні віруси можуть
проникати в рослинну клітину за допомогою комах-переносників при вегетативному
розмноженні, під час догляду за рослинами тощо, а деякі бактеріофаги проникають
крізь клітинну стінку шляхом ін'єкції.
Більшість оболонкових і без оболонкових вірусів тварин
проникають у клітину шляхом рецепторного ендоцитозу, який відбувається в певних
ділянках цитоплазматичної мембрани, в спеціальних заглибленнях, на дні яких
містяться специфічні рецептори. Заглиблення забезпечують швидку інвагінацію і
утворення вкритих особливим білком, клатрином, внутрішньоклітинних вакуолей.
Ендоцитоз уможливлює внутрішньоклітинний транспорт вірусу в складі ендоцитарної
вакуолі. Остання може рухатися в будь-якому напрямі і зливатися з клітинними
мембранами, і при цьому звільнювати вірусну частинку у відповідних ділянках
всередині клітини.
Депротеїнізація оболонки. Наступною стадією є «роздягання»,
тобто звільнення нуклеїнової кислоти вірусу від захисної оболонки, яка перешкоджає
експресії вірусного геному. «Роздягання» низки вірусів відбувається за
допомогою ферментів у спеціалізованих органелах клітини (лізосомах,
диктіосомах), перинуклеарному просторі, ядерних порах, на ядерній мембрані
тощо. Цей поступовий процес є результатом серії послідовних реакцій.
Транскрипція. У наступній стадії здійснюється процес транскрипції
звільненої від оболонок нуклеїнової кислоти вірусу, тобто переписування
інформації, яка міститься в ДНК, на РНК за законами генетичного коду і за
допомогою РНК-полімерази. Продуктами транскрипції в клітині є іРНК. У
ДНК-вмісних вірусів іРНК синтезується на матриці однієї із ниток ДНК. Схема
перенесення генетичної інформації у цих вірусів така ж, як і в клітини:
РНК-вмісні віруси, у яких генетична інформація зберігається
не в ДНК, а в РНК, зокрема у РНК-вмісних «плюс-ниткових» вірусів, що в них
функції іРНК виконує сам геном, генетична інформація передається за такою
схемою: РНК → білок (пікорнавіруси, тогавіруси, коронавіруси). У вірусів,
геном яких не може виконувати функцію іРНК, у клітині синтезується
комплементарна геному іРНК. У цьому випадку передача генетичної інформації
здійснюється у такий спосіб: РНК → іРНК → білок. Сюди належать
ортоміксовіруси, пара-міксовіруси та ті віруси, у яких геном представлений
одноланцюговою РНК, а також реовіруси та деякі інші, геном яких складається з
дволанцюгової РНК. Деякі віруси тварин — так звані ретровіруси — мають
унікальний шлях передачі генетичної інформації. У них РНК переписується на ДНК,
а ДНК інтегрує з геномом клітини і в його складі переписується на РНК, яка
володіє функціями іРНК. Такі віруси мають вірусоспецифічний фермент, який
переписує РНК на ДНК. Цей процес одержав назву зворотної транскрипції, а
фермент — зворотної транскриптази (ревертаза). Вона також може синтезувати
нитку ДНК на матриці ДНК (рис. 4).
Транскрипція деяких ДНК-вмісних вірусів (аденовірусів,
вірусів герпесу та інших) відбувається в ядрі клітини за допомогою клітинних
ферментів РНК-полімерази II та РНК-полімерази III. У РНК-вмісних вірусів
транскрипція здійснюється вірусоспецифічними транскриптазами, які закодовані у
вірусному геномі. Транскрипція вірусного генома регулюється протягом
інфекційного циклу як клітинними, так і вірусоспецифічними механізмами.
Трансляція. Процес переведення генетичної інформації, яка міститься в
іРНК, у специфічну послідовність амінокислот у молекулі білка називається
трансляцією. Саме в результаті трансляції іРНК відбувається синтез білка в
клітині. Він здійснюється на рибосомі, яка складається з двох субодиниць —
великої і малої. Субодиниці містять рибосомальні РНК і білки.
У клітині завжди є РНК, які транспортують в рибосоми
амінокислоти, їх називають транспортними (тРНК). Кожна амінокислота
переноситься відповідною тРНК. Три нуклеотиди на іРНК, що кодують одну
амінокислоту, називаються триплетом або «кодоном». На кінці тРНК є три
нуклеотиди, комплементарні кодону, — це «антикодон». Останній відповідає за
прикріплення до певного місця іРНК (кодону). Тільки після утворення на рибосомі
потрійного комплексу: ІРНК — тРНК — АК може початися процес трансляції.
Трансляція перебігає у три фази: ініціація, елонгація і
термінація.
Ініціація — найважливіший етап в процесі трансляції. Він
ґрунтується на пізнанні рибосомою іРНК і зв'язуванні з її особливими ділянками.
Рибосома «упізнає» іРНК завдяки «шапочці» на 5'-кінці і сковзує до 3'-кодону,
доки не досягне ініціаторного кодону, з якого починається трансляція. В
еукаріотній клітині ініціаторним кодоном є кодон АУГ або ГУГ, що кодують
амінокислоту метіонін. З цієї ініціаторної амінокислоти починається синтез
поліпептидного ланцюга. Він відбувається внаслідок приєднання залишків
амінокислот через утворення між ними пептидних зв'язків і називається
елонгацією. При цьому ланцюг іРНК протягується через рибосому і закодована у
ній генетична інформація «декодується». ІРНК функціонує на декількох рибосомах,
кожна з яких синтезує той самий поліпептидний ланцюг, який кодується даною
ІРНК.
Термінація (закінчення) трансляції здійснюється тоді, коли
рибосома доходить до термінуючого кодону в складі ІРНК. У цей момент синтез
поліпептидного ланцюга (білкової молекули) закінчується і він звільняється від
полірибосоми. Після цього полірибосоми розпадаються на субодиниці. Останні
можуть входити до складу нових полірибосом.
Реплікація (від лат. replicatio — подвоєння) — синтез молекул
нуклеїнової кислоти, які гомологічні геному. Реплікація геному ДНК-вмісних
вірусів каталізується переважно клітинними ферментами; її механізм подібний до
реплікації клітинної ДНК. Кожна синтезована молекула ДНК складається з однієї
батьківської і однієї заново синтезованої дочірньої нитки. Це так званий
напівконсервативний механізм реплікації.
Реплікація одноланцюгових ДНК (у парвовірусів) проходить з
утворенням дволанцюгових проміжних реплікативних форм. Останні реплікуються за
класичним напівконсервативним механізмом. Найкраще вивченим з цієї групи
вірусів є фаг фх 174.
У вірусів, які містять кільцеві дволанцюгові ДНК
(паповавіруси), розрізується один із ланцюгів ДНК, що приводить до
розкручування супервитків на певній ділянці молекули.
Реплікація вірусних РНК відбувається в клітині за допомогою
вірусоспецифічних ферментів. Реплікацію каталізує той самий фермент, що й
транскрипцію (репліказа). При реплікації одноланцюгових РНК спочатку
синтезуються комплементарні геному ланцюги, які, своєю чергою, стають матрицями
для синтезу копій генома. Механізм реплікації дволанцюгової РНК добре вивчено у
реовірусів, віріони яких також містять вірусоспецифічну РНК-полімеразу. Після
проникнення віріону в клітину РНК-полімераза частково звільняється від білків,
активується і здійснює синтез ІРНК, причому зчитування відбувається тільки з
одного ланцюга батьківських молекул РНК, тобто за консервативним механізмом.
Синтез дволанцюгових дочірніх молекул РНК здійснюється
асинхронно — на матриці батьківської РНК синтезуються комплементарні її
ланцюги, які є матрицями для синтезу другого ланцюга РНК.
Синтез компонентів вірусних частинок може відбуватися в різних
структурах ядра і цитоплазми. У деяких вірусів синтез вірусних нуклеїнових
кислот проходить в ядрі, а синтез вірусних білків — в цитоплазмі. Отже, на
відміну від бактерій та інших клітинних організмів, вірусам властивий
диз'юнктивний (роз'єднаний) спосіб розмноження, який полягає в тому, що їхні
компоненти синтезуються в клітині хазяїна відокремлено, неодночасно в різних
місцях.
Складання вібріонів і вихід їх з клітини. Завершальним етапом
внутрішньоклітинного існування вірусів є формування з новосинтезованих
компонентів (НК і білків) нових вібріонів з властивою їм структурою та вихід
дозрілих вірусних частинок з клітини.
Упродовж еволюції у вірусів виникли два способи перебігу цього
завершального етапу. В аденовірусів, пікорнавірусів, реовірусів та деяких інших
складання та дозрівання вібріонів йде усередині клітини. У вірусів, які мають
оболонку (РНК-вмісні віруси з негативним геномом, ретровіруси та інші),
складання вібріону і вихід його з клітини відбувається шляхом відбрунькування в
зовнішнє середовище. Вважається, що це найбільш ефективний механізм виходу
вірусу.
При диз'юнктивному розмноженні утворення вібріону можливе
лише в тому випадку, якщо вірусні НК і білки володіють здатністю при достатній
концентрації «упізнавати» один одного серед різноманітних клітинних білків і НК
та спонтанно з'єднуватися. Білково-нуклеїнове «упізнавання» обмежено невеликою
ділянкою нуклеїнової кислоти і визначається унікальною послідовністю нуклеотидів
у некодуючій частині вірусного генома.
У простих вірусів спочатку формуються провібріони, які далі,
в результаті модифікації білків, перетворюються на вібріони. Найпростіший
механізм складання вібріонів спостерігається у вірусів зі спіральною симетрією.
Так, у класичного представника таких вірусів — ВТМ — вібріони формуються
самоскладанням, тобто спонтанною агрегацією за типом кристалізації.
У складних вірусів складання вібріонів здійснюється у кілька
етапів з участю ядерних і цитоплазматичних мембран. Взаємодія нуклеїнової
кислоти з внутрішніми білками приводить до формування нуклеокапсидів, які є
проміжними структурами при складанні. У деяких вірусів є низка гідрофобних
білків, які виконують функції посередників між сформованими нуклеокапсидами і
вірусними оболонками. Механізм складання вібріонів РНК- і ДНК-вмісних вірусів
досить складний і досі ще недостатньо вивчений.
Останньою стадією репродукції вірусів є вихід повністю
сформованих вібріонів з клітини назовні. Це відбувається шляхом «вибуху» або
брунькування. При першому способі спостерігається лізис (руйнування) і загибель
клітини і вихід з неї дозрілих вібріонів. Це характерно для вірусів, які не
мають ліпопротеїдної оболонки (адено-, пікорна-, рео-, парвовіруси та ін.).
Вихід із клітини шляхом брунькування властивий вірусам, які
мають ліпопротеїдну мембрану, що є похідною клітинних мембран. При цьому
способі клітина хазяїна може тривалий час зберігати життєздатність і
продукувати вірус до повного виснаження своїх ресурсів.
Розглянутий нами
процес розмноження властивий переважній більшості вірулентних вірусів, основною
рисою яких є здатність автономно розмножуватися в інфікованій клітині, що, як
правило, призводить до загибелі клітин хазяїна. Однак існує велика група так
званих помірних вірусів, характерною рисою яких є здатність до інтеграції
(об'єднання) вірусного генома з геномом клітини хазяїна. В цьому разі вірус у
клітині нічим не виявляє своєї присутності і тривалий час існує «приховано»
(екліпс), стаючи нібито складовою частиною генетичного матеріалу клітини.
Терміни “бактеріофаги” і “бактеріофагія” стали загальновизнаними. Поряд з
ними в літературі широко застосовується зручний термін “фаг”, на позначення і
бактеріофагів, що вражають бактерій, і для відкритих дещо пізніше актинофагів
(які вражають актиноміцети), альгофагів (що вражають деякі водорості).
Припущення, що бактеріофаги
мають корпускулярну природу, було висунуто ще Ф.д'Ерелєм. Однак тільки після
винайдення електронного мікроскопа вдалося побачити і вивчити ультраструктуру
фагів. Нагадаємо, що довгий час уявлення про морфологію та основні особливості
фагів ґрунтувалися на результатах вивчення фагів Т-групи — ТІ, Т2,..., Т7, які
розмножуються на Е.соlі штаму В. Однак з кожним роком з'являлися нові дані щодо
морфології і структури різноманітних фагів, що зумовило необхідність їхньої
морфологічної класифікації.
Детальні електронно-мікроскопічні дослідження, в поєднанні з деякими
фізико-хімічними методами вивчення фагів Т-групи, показали, що кожен фаг
складається з різних морфологічних елементів.
Основні частини найкраще вивчених булавоподібних фагів становлять головка
з білковою оболонкою — капсидом і відросток. Субодиниці капсиду називають
капсомерами. Структурні елементи складних відростків дістали назву зовнішнього
чохла, внутрішнього стрижня і базальної пластинки, відростка з зубцями і
нитками.
А.С. Тихоненко (1972) поділяє фаги з огляду на ускладнення їхньої структури
(що з еволюційної точки зору є найбільш доцільним) на п'ять основних груп.
(рис. 6)
До першої групи слід віднести ниткоподібні фаги fd, fl, M13 та ін. За
формою вони нагадують вібріони ВТМ. Це довгі гнучкі палички (700—850 нм), які
складаються з трубкоподібного капсиду зі спіральним типом симетрії і містять
одноланцюгову ДНК.
Рис 5. Структура бактеріофага Т2:
А — електронна фотографія фага Т2, Б — схема структури: 1 — білкові
субодиниці капсиду; 2 — головка фага; 3 — ДНК; 4 — відросток; 5 — футляр, 6 —
стрижень; ?— пластинка з шістьма зубцями, 8 — нитки виростка
Другу групу складають дрібні сферичні фаги ікосаедричної форми без
диференційованого відростка. Серед них розрізняють дві підгрупи. Фаги першої
підгрупи (S13, φ x 174 та ін.) мають одноланцюгову ДНК, а фаги другої
підгрупи — f2, fr, MS2, R17, М12 — РНК.
До третьої групи відносять фагів з чітко вираженим хвостовим відростком
невеличкого розміру. Вони інфікують бактерії, актиноміцети, хлорелу та інші
організми. За будовою їхнього відростка виділяють дві групи. Представники
першої групи (фаги ТЗ і Т7) мають короткий конусоподібний відросток без
базальної пластинки, а представники другої (наприклад, фаг Р22 Salm.
typhimurium) — короткий відросток з базальною пластинкою.
До четвертої групи належать булавоподібні фаги з довгим відростком, що не
скорочується і нагадує гофровану трубку (фаги ТІ, Т5, λ та інші). Вони
містять дволанцюгову ДНК.
Рис. 6. Схематичне зображення представників різних груп
фагів (за А.С.Тихоненком, 1968)
П'яту групу становлять булавовидні ДНК-вмісні фаги з добре розвинутим
складним відростком. При скороченні зовнішнього чохла відростка оголюється
дистальний кінець внутрішнього стрижня, який може проникати через клітинну
стінку бактерій. Представники цієї групи найкраще вивчені (фаг Т2 та інші
Т-парні фаги, рис. 7).
Рис. 7. Днк, яка звільнилася з головки фага Т2 під дією осмотичного шоку
Вивчення хімічного складу фагів показало, що він досить простий; по суті
фаги є нуклеопротеїдами, тобто складаються в основному з білка і нуклеїнової
кислоти. Фагові частинки мають кілька різних білків, насамперед структурних,
які становлять капсид головки і елементи відростка (чохол, стрижень, базальну
пластинку і нитки). У головці булавоподібних фагів є також внутрішній білок
(3-7 % загального вмісту білка). У фагів виявлено ферменти лізоцим, фосфатазу
та деякі інші. Білки виконують різні функції: захищають нуклеїнову кислоту від
пошкоджень і дії ферментів нуклеаз, беруть участь у тісному контакті фага з
бактеріальною клітиною, забезпечують через ферментативну дію процес зараження
тощо.
Другою важливою складовою частиною фагів є нуклеїнові кислоти. У фагів,
як і в інших вірусів, є тільки один тип нуклеїнової кислоти — ДНК або РНК. Цією
властивістю віруси відрізняються від інших мікроорганізмів, в клітинах яких є
обидва типи нуклеїнових кислот. У фагів виявлено дволанцюгову ДНК (найчастіше)
і одно-ланцюгові ДНК та РНК. Залежно від типу своєї нуклеїнової кислоти фаги
поділяють на ДНК-вмісні і РНК-вмісні. Нуклеїнова кислота щільно упакована у
головці фага.
У деяких фагів знайдено невеличку кількість ліпідів (2,5—10,5 %),
переважно жирних кислот і фосфоліпідів, а також сліди вуглеводів. Значення цих
компонентів поки що недостатньо вивчено. Вважають, що ліпіди та інші компоненти
(подібно до інших вірусів) мають клітинне походження і фаговий геном не кодує
їхнього синтезу.
Бактеріофаги володіють антигенними властивостями. При багаторазовому
парентеральному введенні фагів кролям або іншим тваринам можна одержати
сироватки, які містять сферичні антитіла до відповідних фагів. Такі сироватки
називають антифаговими. Антитіла таких сироваток здатні давати з відповідними
фагами звичайні серологічні реакції — аглютинації, преципітації, зв'язування комплементу,
а також спричинюють нейтралізацію літичної активності фагів. Антифагові
сироватки строго специфічні. Цю властивість часто використовують при
серологічній класифікації фагів.
В цьому процесі розрізняють два типи взаємодії — літичний і лізигенний .
Перший закінчується лізисом (руйнуванням) ураженої клітини і призводить до
виходу дозрілих фагових частинок з клітини, а другий не руйнує уражену клітину,
а робить її своєрідним носієм фага.
Літичний тип взаємодії фагів з бактеріями часто ще називають (як і для
інших вірусів) продуктивною інфекцією. При такому типі взаємодії фага з
клітиною хазяїна розрізняють чотири стадії або етапи: 1) адсорбцію фагів на
поверхні бактеріальних клітин; 2) проникнення активного вмісту (нуклеїнової
кислоти) в бактеріальну клітину; 3) латентний період (екліпс)
внутрішньоклітинного розвитку фага; 4) руйнування (лізис) клітини і вихід з неї
новоутворених фагів.
Страницы: 1, 2, 3
|
