CC BY
624
УДК. 587.26:579.842.1/2
ЛИЗОГЕНИЯ У БАКТЕРИЙ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
А. И. КУШКИНА, Ф. И. ТОВКАЧ
Институт микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного НАН Украины, Киев
Е-mail: [email protected]
Фаголизис промышленных культур является актуальной проблемой биотехнологии микроорганизмов. Его проявления необратимы и приводят к значительным экономическим убыткам. В настоящее время для коммерчески ценных штаммов микроорганизмов существуют генно-инженерные системы защиты, направленные на предотвращение эндогенного и экзогенного фаголизиса. Понимание молекулярно-генетических основ возникновения, поддержания и передачи литических и лизогенных вирусных инфекций в бактериальных популяциях, несомненно, будет полезным и поможет биотехнологам оптимизировать технологические процессы и обеспечить прибыльное производство. В обзоре анализируются наиболее изученные лизогенные системы, даются ключевые определения, относящиеся к лизогении, и объясняются биологические особенности ассоциации «умеренный бактериофаг-клетка».
Ключевые слова: лизогения, регуляция, умеренные бактериофаги, протеин-репрессор, лизогенная конверсия.
Данные геномики, полученные в последнее десятилетие, свидетельствуют о том, что подавляющее большинство бактериальных геномов несут множественные профаговые элементы. Например, хромосома Escheri-сЫо, coli О157:Н7 штамм Sakai содержит около 16% таких элементов — родственных фагу лямбда, Р2 и Mu [1, 2]. В зависимости от штамма Streptococсus pyogenes может иметь от 4 до 6 профагов, которые составляют до 12% нуклеотидной последовательности [1]. Не лишены профагов и молочнокислые бактерии [3, 4], а также другие практически значимые микроорганизмы.
Информация о профаговых последовательностях важна не только для фундаментальной науки, но и для эффективного применения микробных культур в промышленности [5, 6]. Использование биотехнологий, основанных на микробном синтезе и ферментации, связано с определенным риском, в частности со спонтанным лизисом бактерий, причиной которого являются бактериофаги [7]. Фаголизис влечет за собой остановку технологического процесса, потерю сырья и продукции, а также ухудшение ее качества и, следовательно, приводит к значительным экономическим убыткам.
Для предупреждения фаголизиса необходимо глубокое понимание не только физио-
логии бактерий, но и лизогении. Читателям, интересующимся бактериофагами конкретных групп микроорганизмов, а также подходами, позволяющими предупреждать фаголи-зис, советуем ознакомиться с современными тематическими обзорами и монографиями [8-14]. В данной работе нами рассмотрены понятие лизогении, наиболее изученные лизогенные системы и значение лизогении для микоробной клетки.
Лизогения (от греч. lysis — распад и ... geneia — создание) — генетически обусловленная способность бактерий лизиро-ваться с выделением бактериофага [15]. Она определяется наличием профага — особой формы внутриклеточной вирусной ДНК, реплицирующейся координированно с бактериальной хромосомой и передающейся дочерним клеткам. Бактериофаги, способные существовать в виде профага и лизогенизи-ровать клетки, называются умеренными. Стратегия развития всех умеренных фагов включает выбор между лизисом и лизогени-зацией клетки-хозяина. Во многом этот выбор зависит от физиологического состояния бактерии-хозяина. В определенных условиях профаг может индуцироваться и переходить к литическому развитию с образованием вирусных частиц и лизисом клетки (рис. 1).
Рис. 1. Схема жизненного цикла фага лямбда:
1 — начальные этапы инфекции. Фаговая частица прикрепилась и инъецировала свою ДНК в клетку;
2 — вирионная ДНК в клетке; 2а — литическое развитие фага. Вирионная ДНК реплицируется по а-типу. Упаковка в капсиды происходит за счет нарезания конкатемеров по сов-сайтам;
3 — бактериальный нуклеоид; 3а — лизогенная бактериальная хромосома (с интегрированным профагом );
4 — профаг. Протеин-репрессор С1 блокирует литические гены фага;
5 — дочерние клоны лизогенной бактерии. Лизогенные клетки размножаются, профаг наследуется дочерними клетками;
6 — RecA — бактериальный протеин, участвующий в процессах клеточной рекомбинации, репарации и имеющий протеолитическую активность. Активируется короткими однонитчатыми ДНК, которые могут образовываться в результате сильных стрессов (облучение, химические мутагены, голодание) и осуществляет протео-лиз всех протеинов-репрессоров, связанных с ДНК, пытаясь таким образом обнаружить и разрушить Lex-протеин, блокирующий гены бактериальной ЯОЯ-системы репарации [32, 46]. RecA-протеин разрушает С1-репрессор фага лямбда (6 а), запуская поздние фаговые гены, и профаг переключается на литическое развитие;
7, 8, 9,10 — литическое развитие бактериофага. Сборка вирионов. Образование хвостового отростка и капси-да происходит отдельно. Упаковка ДНК является одной из стадий созревания фаговой головки. После упаковки капсид и хвостовой отросток объединяются, образуя вирион. Выход фагового потомства сопровождается лизисом клетки
Кроме потенциального эндогенного лизиса бактериальной клетки, вызванного индукцией профага, существует еще и ее лизис извне. Образование фагового потомства в лизогенных бактериальных популяциях происходит перманентно, но с достаточно низкой частотой — 10-4-10-6 на клеточную генерацию. Лизогенная клетка устойчива к этим фагам, однако при этом может происходить селекция и накопление вирулентных фаговых мутантов, способных размножаться в ли-зогенах, несущих гомоиммунный фаг [1].
Эндогенный лизис бактериальной популяции может быть обусловлен не только полноценными фагами. Дефектные профаги, отвечающие за формирование дефектной
лизогении [16], также способны индуцироваться, приводя к лизису бактерии-хозяина, который сопровождается образованием неполных фаговых частиц либо происходит без сборки вирионов.
Установление и поддержание лизогении.
Индукция профага
Лизогенная система фага лямбда является классическим примером жизненного цикла умеренного бактериофага [17]. Процессы установления и поддержания лизогении у лямбда начинаются с момента введения фагом своей ДНК в клетку и тесно сопряжены как в пространстве, так и во времени.
Поддержание состояния профага осуществляется протеином-репрессором С1 [17, 18]. Этот протеин блокирует поздние фаговые гены лизиса и таким образом сохраняет лизогенное состояние в клетке. Однако решение о выборе стратегии развития бактериофага принимается на уровне раннего протеина CII [19]. Этот регуляторный протеин инициирует синтез протеина С1 с промотора PRE (Promoter for repression establishing). После образования определенного количества протеина С1 регуляция экспрессии гена с1 переключается на промотор PRM (Promotеr for repression maintenance), с которого в последующем и осуществляется транскрипция (рис. 2). Протеин СП также активирует промотор Р^ (Promotеr for integration), с которого инициируется транскрипция фаговой ин-тегразы Int, что приводит к встраиванию фаговой ДНК в бактериальную хромосому [20, 21] (рис. 2).
Установление лизогении фагом лямбда зависит от многих факторов, в том числе и от физиологического состояния клетки-хозяина [22, 23]. Транскрипция гена с1 иницииру-
ется регуляторным протеином СІІ, который нестабилен и разрушается бактериальными протеазами [24]. Для его защиты от протео-лиза необходим другой регуляторный протеин СШ [25]. В случае дефекта в одном или обоих генах, сІІ и сІІІ, частота лизогениза-ции снижается, но не отсутствует. Поддержание лизогении обеспечивается за счет координированной репрессии двух операторов OR и OL (рис. 2, А). Главной регуляторной областью в этих процессах все же считается правый оператор OR. Он состоит из трех операторных сайтов, с которыми связываются эффекторные протеины — репрессор CI и Cro [26, 27] (рис. 2, В). Последовательность оператора OR перекрывается с последовательностями двух промоторов PR и PRM (рис. 2, Г). Промотор PR (Promotеr right) является правым промотором хромосомы фага лямбда и отвечает за экспрессию гена cro и поздних литических фаговых генов. Промотор PRM отвечает за эффективность синтеза протеи-на-репрессора и, соответственно, за поддержание лизогении.
Рис. 2. Образование и поддержание лизогении у фага лямбда:
А — карта левой области генома бактериофага лямбда. Относительно правого оператора OR транскрипция этой области генома осуществляется в противоположных направлениях. Транскрипция предранних фаговых генов int и xis запускается протеином CII с промотора Pj (Promoter for Integration). При литичес-ком развитии экспрессируются поздние фаговые гены с промотора PR с помощью регуляторного протеина Q. attL, attR — сайты эксцизии профага лямбда из бактериальной хромосомы;
int и xis — гены интегразы и эксцизионазы, которые управляют интеграцией и вырезанием профага соответственно;
cIII — ген, продукт которого защищает протеин С11 от протеолиза; cI — ген протеина-репрессора;
cro — ген протеина Cro, блокирующего транскрипцию с промотора PRM; cII — ген протеина, инициирующего транскрипцию с гена cI;
O, P — гены репликации;
Q — ген кофактора РНК-полимеразы, усиливающего транскрипцию поздних литических фаговых генов. Б — тонкая структура правого оператора OR. Операторные сайты (по 17 пн в каждом) в правом операторе перекрываются с промоторами PR и PRM. Последовательности OR1 и OR3 перекрываются с одним из двух промоторов, а последовательность OR2 — с обоими промоторами одновременно
Установление лизогении у фага лямбда обязательно сопровождается процессом интеграции фаговой ДНК в бактериальную хромосому (рис. 3). Его катализируют протеин Int — фаговая интеграза и протеин IHF (Integration Host Factor) — бактериальная рекомбиназа, участвующая во многих процессах, основанных на рекомбинации [28]. Интеграция линейной ДНК фага лямбда происходит по механизму сайт-специфической рекомбинации посредством образования кольцевой формы с последующей пермутацией генов [29]. Кольцевая фаговая ДНК, замкнутая через cos-сайт [30], содержит сайт интеграции attP и интегрируется в специфический сайт бактериальной хромосомы, attB, расположенный между генами gal и bio. В результате образуется химерная структура, состоящая из бактериальной ДНК и пермутированной фаговой ДНК, в которой профаг ограничен гибридными сайтами attL и attR [31].
SOS-сопряженная индукция сопровождается выщеплением профаговой ДНК из бактериальной хромосомы. Однако нельзя считать этот процесс «зеркальным отражением» интеграции, поскольку здесь кроме протеинов Int и IHF принимает участие фаговая эксци-зионаза (Xis) [32], а вырезание происходит по сайтам attL и attR, имеющим последовательности, отличные от attP и attB [31].
По типу поддержания в клетке профаги можно разделить на две группы: интегрированные в геном и автономные профаги-плазмиды. В зависимости от этого различаются и процессы формирования лизогении. Установление лизогении у автономных плазмид-ных профагов происходит по тому же принципу, что и у интегративных — необходим запуск синтеза фагового протеина-репрессора, блокирующего экспрессию всех литических генов. В процессах поддержания плазмидного профага, кроме того, участвуют плазмидные системы репликации и сегрегации ДНК, координирующие фаговую и бактериальную репродукцию, обеспечивающие расхождение конкатемеров и распределение копий по дочерним клеткам, а также гены, поддерживающие стабильность лизогении в популяции, уничтожая клетки, потерявшие профаг.
В клетке, лизогенизированной профагом лямбда, постоянно находится около 100 молекул протеина-репрессора, взаимодействие которого с ДНК не статичное, а динамичное. Репрессор постоянно связывается с операторными сайтами и сила репрессии зависит от количества его молекул в цитоплазме [18].
Протеин-репрессор защищает лизогенную клетку от заражения гомологичними бактериофагами. В случае, если в нее попадает ДНК другого фага, имеющая аналогич-
attP
Вирионная ДНК фага лямбда
Int Xis
Int, IHF
attL с
attR
gal
bio
Интегрированный профаг лямбда в составе хромосомы Е. СОІІ
Рис. 3. Интеграция и эксцизия фага лямбда из хромосомы E. coli.
Вирионная ДНК имеет линейную форму и прямой порядок генов (1). На ее концах располагаются cos-сайты — когезивные однонитчатые участки, обеспечивающие замыкание фаговой хромосомы в кольцо перед интеграцией (2). Образование кольцевой формы предотвращает деградацию фаговой ДНК бактериальными нуклеазами. Интеграция происходит с участием гомологичных сайтов attP и attB фаговой и бактериальной хромосом соответственно по механизму сайт-специфической рекомбинации. Сайт attB расположен в хромосоме бактерии-хозяина между генами gal и bio (3). Образуются левый (attL) и правый (attR) сайты профага. После интеграции в профаге последовательность генов станет пермутированной и будет иметь порядок СDAB. Интеграция и эксцизия катализируются бактериальным протеином IHF и фаговым протеином Int. Для эксцизии также необходимо наличие фагового протеина Xis (4)
1
3
4
ные сайты связывания, репрессор распознает их и блокирует дальнейшее развитие этого вируса [17, 18, 31], т. е. лизогенная клетка является иммунной к заражению гомологичным вирусом. Область генома фага лямбда, содержащая ген протеина-репрессора с1, гены регуляторных протеинов и операторные сайты, называется областью иммунитета, а фаги, имеющие гомологичные области иммунитета, — гомоиммунными.
Иммунитет к повторному заражению фагом может преодолеваться за счет мутаций в операторных сайтах. Эти сайты не связываются с репресором, и при попадании мутантной ДНК в лизогенную клетку начинают экспрессироваться литические гены, что приводит к образованию фагового потомства и лизису лизогенной клетки. Этот эффект усиливается также за счет индукции интегрированного профага мутантным фагом вследствие конкуренции за общий репрес-сорный протеин. Мутанты гомологичного фага, способные преодолевать иммунитет, называются вирулентными [17, 33].
Как упоминалось выше, при росте лизоге-нов в обычних условиях частота индукции профага составляет 10-4-10-6 на клеточную генерацию. Эта индукция носит название спонтанной и вызывается разными причинами, такими как незначительное изменение физиологического состояния клетки, временными стрессами и т. п. Однако при значительных воздействиях внешних факторов, вызывающих запуск репарационной SOS-системы, происходит массовая индукция профага и выход фагового потомства в популяции лизогенов, что может вызвать гибель 99,9% клеток [34].
Бактериальная SOS-система — это сложная система репарации, индуцируемая появлением однонитчатых фрагментов ДНК [35, 36]. Одним из основных ее компонентов является RecA-протеаза, гидролизирующая репрессорные протеины, связанные с ДНК. Активированная RecA-протеаза E. coli расщепляет не только бактериальный репрессор LexA, но и некоторые фаговые репрессоры [37, 38]. Вследствие этого запускаются лити-ческие фаговые гены, что приводит к образованию фагового потомства и лизису клеток.
Поддержание лизогении у фага лямбда
У фага лямбда все литические функции собраны в опероны, которые репрессированы на лизогенной стадии его развития [39, 40]. Как указывалось выше, за их репрессию отвечает фаговый протеин d, ген которого подвержен авторегуляции [17].
Репрессор d взаимодействует с правым оператором фагового генома OR, состоящим из участков OR1, OR2 и OR3 (рис. 4). При его связывании с операторными сайтами OR1 и Or2 угнетаются все ранние литические функции, прежде всего активность гена cro. Молекулы протеина-репрессора имеют разное сродство к операторным сайтам. По силе связывания с протеином-репрессором операторные сайты располагаются в последовательности OR1 ^ Or2 ^ OR3 [41, 17]. Кроме того, димеры репрессора, связавшиеся с сайтами OR1 и OR2, осуществляют кооперативное взаимодействие своими С-концевыми доменами (рис. 4). При заполнении этих двух сайтов репрессором экспрессия всех поздних литических генов становится невозможной.
Ген протеина-репрессора экспрессируется с промотора PRM, последовательность которого перекрывается с операторными сайтами Or2 и OR3. Заполнение сайта OR2 стимулирует экспрессию гена cI, тем самым поддерживая постоянную концентрацию протеина-репрессора в цитоплазме [42, 17]. При связывании протеина-репрессора с сайтом OR3 останавливается синтез репрессора. Поскольку этот операторный сайт имеет наименьшее сродство к репрессорному протеину, то он заполняется только в случае избытка репрессора в цитоплазме. Таким образом, тонкая авторегуляция поддерживает пул протеина-репрессора на постоянном уровне.
а, с « с с
I CI ИГ "I iVl ГГ,--------- его -|
0„3 0„2 0*1
Выкл
1 CI СГО
Or3 0„2
Pr’
Рис. 4. Альтернативные состояния правого оператора 0К бактериофага лямбда.
Положение «Вкл» обеспечивает поддержание профага в лизогенном состоянии. Поскольку молекулы протеина-репрессора С1 занимают операторные сайты О^ и О^, экспрессия поздних литических фаговых генов с промотора РR блокируется. Положение «Выкл» возникает когда димер протеина Сго занимает сайт О^. Таким образом блокируется экспрессия гена С1 с промо-т°ра ^м
Протеин Cro осуществляет строго негативную регуляцию экспрессии гена сі и связывается с теми же операторными сайтами, что и протеин-репрессор [18]. ^ла связывания этого регулятора с операторными сайтами направлена противоположно таковой протеина CI: OR3 ^ OR2 ^ OR1 (рис. 4). Молекулам Cro-протеина не свойственно объединяться в димеры. Активирование ранних литических функций приводит к каскадному включению поздних литических генов профага, образованию вегетативных частиц и лизису клетки.
Таким образом, за установление и поддержание лизогении у фага лямбда отвечает с-об-ласть (или область иммунитета) его генома. В нее входят гены сі, cII, cIII и операторно-промоторный регуляторный участок. Протеины CII и CIII обеспечивают начальный этап установления лизогенного состояния в инфицированной клетке. Стабильное поддержание лизогении осуществляет иммунный про-теин-репрессор CI. При индукции профага бактериальная RecА-прoтеаза разрушает пул репрессора в цитоплазме, освобождая тем самым операторные сайты, и запускает синтез Cro-протеина. Последний блокирует промотор PRM и таким образом включает каскадную экспрессию литических фаговых генов.
Корепрессия оперонов OR и OL, или регуляция экспрессии путем петлеобразования
Последние исследования регуляции генной активности фага лямбда показали, что для стабильной репрессии и дерепрессии протеины CI и Cro связываются с операторами OR и OL [43, 44] одновременно. Известно, что для стабильной репрессии мономеры протеина CI объединяются в димеры. В таких димерах N-концевые домены протеиновых глобул взаимодействуют с большой бороздкой молекулы ДНК в сайте связывания, а C-концевые глобулы взаимодействуют между собой (рис. 4). Кроме того, димеры, находящиеся в сайтах OR1 и OR2, связываются С-концевыми доменами с аналогичными димерами, находящимися на сайтах OL1 и Ol2, с образованием структуры типа петли. При таком расположении дерепрессия литических генов происходит координированно. По такому механизму в лизогенной клетке блокируется экспрессия гена N с промотора PL [40]. Протеин N является антитерминатором транскрипции, обязательным для литического развития фаговой хромосомы.
Основные лизогенные системы
К настоящему времени генетическая организация области иммунитета у некоторых умеренных бактериофагов изучена достаточно основательно. Им, как и фагу лямбда, необходим иммунный протеин-репрессор и протеины, запускающие его начальный синтез. Тем не менее, детальная архитектура иммунитета умеренных фагов может существенно различаться, включая в себя дополнительные ре-прессоры, антирепрессоры, вспомогательные протеины и другие регуляторные элементы.
Исходя из имеющихся в литературе данных для установления и поддержания лизо-гении умеренные бактериофаги могут использовать не только одно-, но двух- и трех-компонентые системы иммунитета. Они отличаются количеством пространственно разделенных генетических кластеров, в которых собраны гены лизогении и соответствующие регуляторные последовательности.
Следует отметить, что регуляция генной активности у бактерифагов происходит по пространственно-временному принципу с участием протеинов-триггеров, к которым и относится иммунный репрессор. Это возможно лишь вследствие того, что геномы всех бактериофагов имеют модульное строение [45, 46, 47].
Однокомпонентная система иммунитета фага лямбда
Фаг лямбда является типичным представителем группы лямбдоидных фагов. Его частицы относятся к морфотипу В1 с изометрическим икосаэдральным капсидом и длинным несократимым хвостовым отростком [48]. Размер его генома составляет 48,502 тыс. пар нуклеотидов (т.п.н) [49], при лизогенизации его ДНК интегрирует с бактериальной хромосомой. Профаг лямбда индуцируется облучением ультрафиолетом [34, 50]. Вирионная ДНК фага лямбда упаковывается в капсид по cos-механизму [51, 52]. Система иммунитета, ее структура и принципы регуляции были подробно описаны в предыдущем разделе. Следует лишь отметить, что с-область фага лямбда является однокомпонентной, так как в поддержании лизогенного состояния в клетке принимает участие только один протеин-репрессор. Благодаря его структуре происходит координированная репрессия правого и левого операторов OR и OL, что обеспечивает поддержание лизогенного состояния профага. При лизогенной индукции происходит координированная дерепрессия всех поздних литических генов, что обеспечивает их согласованную экспрессию и образование фагового потомства.
Двукомпонентная система иммунитета фага Р22
Умеренный бактериофаг Р22 Salmonella typhimurium существенно отличается от ко-лифага лямбда как по морфологии частицы, так и по стратегии упаковки его ДНК. Вири-оны Р22 относятся к С1-морфотипу (имеют изометрический капсид с коротким хвостовым отростком) [48], а упаковка ДНК в кап-сид происходит по механизму заполнения головки [53]. В этом случае ДНК упаковывается до заполнения объема головки и нарезается по так-называемым рас-сайтам. В результате этого вирионная ДНК приобретает концевую избыточность, а ее нуклеотидная последовательность становится пермутиро-ванной. Размер генома фага Р22 составляет 42 т.п.н. [54], но имеет тот же самый порядок генов и способен создавать с фагом лямбда жизнеспособные рекомбинанты [50, 55, 56]. Стратегия развития фага Р22 аналогична фагу лямбда [50, 57]. Основные отличия состоят в том, что с-гены фага Р22 расположены в двух различных кластерах, а лизогения поддерживается за счет непрерывного синтеза двух репрессоров.
Ген первого репрессора, с2, находится в области ImmC [55]. Действие его продукта аналогично действию С1-репрессора фага лямбда. Область ImmI [58] содержит ген второго ре-прессора mnt, который предотвращает экспрессию антирепрессора ant. Негативную регуляцию гена ant осуществляет протеин Arc, ген которого также находится в этой области [59]. Arc-репрессор контролирует транскрипцию как с промотора Pant (промотор антирепрессо-ра), так и с промотора другого репрессора Pmnt, за счет их различной ориентации. Установление лизогении происходит с участием продуктов генов с1 и с3, которые обеспечивают высокий начальный уровень имунного репрессора С2 с первичного промотора PRE.
Индукция профага Р22 происходит двумя независимыми друг от друга путями — активацией протеазы RecA и действием Ant-протеина [55, 60]. Последний не является регуляторным, а непосредственно связывается с С2-репрессором и предотвращает его взаимодействие с ДНК.
Таким образом, умеренный бактериофаг Р22 имеет двукомпонентную имунную систему, функционирование которой обеспечивается двумя репрессорными протеинами. Первый, С2-репрессор, негативно регулирует все литические фаговые гены, в то время как другой — Mnt-репрессор — предотвращает экспрессию гена антирепрессора.
1тт С Imm I !,imi I /;
Рис. 5. Схематическая структура областей иммунитета фагов лямбда (А), Р22 (Б) и Р1(В).
Направление экспрессии указано стрелками. Описание дано в тексте
Трехкомпонентная система иммунитета фага Р1
Фаг Р1 является очень сложным умеренным бактериофагом E. ^li с размером вири-онной ДНК около 105 т.п.н. [61, 62]. Он, как и Р22, упаковывает свой геном по механизму заполнения головки, его вирионная ДНК пермутирована и содержит около 10% концевой избыточности. В отличие от лямбда и Р22, у фага Р1 функционирует сложная трехкомпонентная система иммунитета, которая была изучена лишь благодаря использованию технологии рекомбинантных ДНК. Выделяют следующие компоненты иммунитета Р1: 1) иммунный репрессор С1, осуществляющий как позитивный, так негативный контроль различных фаговых генов, а также собственную авторегуляцию; 2) РНК-ре-прессор с4, который негативно регулирует синтез антирепрессора Ant; 3) вспомогательный протеин Lxc. Гены с1 и с4 локализованы в областях immC и immI соответственно, которые аналогичны двукомпонентной системе иммунитета фага Р22. Ген lxc находится в области ImmT генома фага Р1.
Область ImmC [61, 62, 63] содержит гены с1 , coi и набор операторов. Продукт гена с1 взаимодействует приблизительно с 20 операторами, разбросанными по геному Р1. Среди них выделяют моновалентные, содержащие один сайт связывания, и бивалентные. Последние имеют два перекрывающихся репрессорсвя-зывающих сайта. С1 авторегулирует собственный синтез за счет взаимодействия с бивалентным оператором Ор99аЬ и осуществляет негативный контроль гена coi. Продукт последнего предотвращает нековалентное связывание репрессора С1 с ДНК. Предполагают, что протеин ^i принимает участие в выборе стратегии развития профага.
Область ImmI [61, 62, 63] содержит опе-рон, состоящий из генов с4, icd, ant1/2. Этот оперон подвержен двойному контролю со стороны С1- и С4-репрессоров. Гены icd и ant1/2 определяют последовательность протеина-ингибитора клеточного размножения и антирепрессорного протеина соответственно. Ген с4 кодирует антисмысловую РНК, которая действует как репрессор трансляции двух вышеуказанных протеинов. Она взаимодействует с общим транскриптом оперона ImmI с образованием структуры типа «клеверного листа», блокирующей дальнейшую трансляцию. Вместе с репрессором С1 РНК-репрессор с4 является необходимым фактором поддержания состояния профага Р1.
Наличие оперона с двойным контролем свидетельствует о связи, существующей между ImmC- и ImmI-областями. Однако роль С1-репрессора в этом контролле еще не определена. Установлено, что при отсутствии активной С4-РНК синтез антирепрессора Ant стимулируется взаимодействием С1-протеина с промотором Ор51 [63]. Таким образом, С1-контроль этого промотора не может полностью рассматриваться как вторая система репрессии фага.
Третья область иммунитета фага Р1, ImmT [61, 62, 63], содержит ген lxc, продукт которого усиливает связывание протеина С1 с операторами. Показано, что в присутствии С1-репрессора протеин Lxc связывается со всеми соответствующими операторами с образованием комплекса d-Lxc-оператор. При этом сильно уменьшается способность ингибитора Coi угнетать взаимодействие С1 с ДНК. Корепрессорный протеин Lxc рассматривается как средство «тонкой настройки» (fine-tuning) репрессора С1. При этом не исключается возможность участия Lxc в установлении состояния профага Р1 путем угнетения инакти-вационной функции протеина Coi.
Очевидно, что среди всех хорошо изученных бактериофагов умеренный бактериофаг Р1 формирует самую сложную лизогенную систему. За установление и поддержание лизоге-нии отвечает трехкомпонентный комплекс, который включает иммунный репрессор С1, РНК-репрессор С4 и дополнительный репрес-сор Lxc. Регуляция генной активности в состоянии профага происходит как на уровне транскрипции, так и трансляции. При этом одна из геномных областей фага Р1 подчиняется двойному контролю. В настоящее время действительная роль иммунного репрессора С1 в функционировании профага Р1 уточняется.
Рассмотренные в этой главе бактериофаги не охватывают всего разнообразия известных фагов. Однако описанные закономер-
ности иммунитета показывают основные известные принципы структурно-функциональной организации лизогенных систем.
Дефектная лизогения
Дефектная лизогения формируется профагами, утратившими часть генов [16]. Если среди оставшихся структурных генов есть только гены хвостового отростка, то после лизогенной индукции бактериальной клетки образуются дефектные фаговые частицы — бактериоцины типа фаговых хвостовых отростков [64]. Они способны убивать клетки того же или других видов бактерий, но не являются инфекционными. Такие киллерные агенты широко распространены у бактерий рода Erwinia [65] и Pseudomonas [66]. Так, геном P. aeruginosa содержит Р2-подобный кластер генов фаговых хвостовых отростков типов R2 и F2. При его индукции образуются отростки, характерные для фагов семейства Myoviridae и Syphoviridae соответственно. Суперинфицирование бактерий рода Pseudomonas фагом Ps17 приводит к образованию фенотипической смеси с пиоцином R2 и расширению круга хозяев для потомков суперинфицирующего фага [67]. Поскольку рекомбинации при этом не обнаружено, считается, что происходит кооперация продуктов фаговых и пиоциновых генов. Интересно отметить, что у E. coli среди значительного количества колицинов, которые проявляют киллерное действие по отношению к родственным бактериям, структур типа фаговых хвостовых отростков не обнаружено [68].
Значение профагового компонента в бактериальной популяции.
Лизогенная конверсия
С помощью методов биоинформатики показано, что в случае таких бактерий, как Staphylococcus aureus [69], Streptococcus pyogenes [70], Listeria monocytogenes, L. innocua [71], S. еnterica serov. typhi и serov. typhimuri-um [72], E. coli O157 и K12 [73], внутривидовое разнообразие формируется именно за счет профагов. Многочисленные публикации однозначно доказывают, что фаги не являются пассивным грузом бактерии. Без сомнения, они принимают активное участие в физиологии не только отдельной микробной клетки, но и бактериальной популяции в целом.
Известно, что кроме гена протеина-ре-прессора в составе профага экспрессируются и другие гены. Часто они являются несущественными для жизненного цикла самого бактериофага. Однако благодаря именно
этим генам лизогенная клетка может приобретать новые признаки, повышающие ее шансы на выживание в окружающей среде. Лизогенная конверсия или фаговая конверсия — это изменение свойств бактерии вследствие заражения и лизогенизации ее умеренным бактериофагом [15]. Хорошо известны примеры лизогенной конверсии, когда приобретение профага обеспечивает бактерию-хозяина дополнительными (или новыми) факторами вирулентности [1]. Более того, профаговые гены принимают участие в адаптации лизогенной бактерии к специфическому окружению независимо от того, является ли клетка-хозяин патогеном, комменсалом или свободно живущей формой [1].
В составе профага лямбда, кроме с-моду-ля экспрессируются гены rexAB, обеспечивающие ограничение продуктивного развития rII-мутантов вирулентного фага Т4 [74]. Обнаружено, что протеин RexB также предотвращает смерть лизогенных клеток, которая вызывается дополнительным модулем phd/doc плазмидного профага Р1 [75], и бак-териальними генами, индуцируемыми во время аминокислотного голодания бактерии, — rel/mazEF [76]. Поэтому Rex-оперон фага лямбда можно назвать «опероном выживания» для лизогенных клеток. Гены профага лямбда bor и lom [77] также считаются конверсионными, обеспечивая лизоге-нам устойчивость к сыворотке и усиление способности выживания в макрофагах.
Что касается описанных в этом обзоре фагов Р22 и Р1, то у них известно достаточно много генов, связанных с лизогенной конверсией. Например, у лизогенов по фагу P22 происходит химическая модификация фагового рецептора и функционируют профаго-вые системы sieA и sieB, обеспечивающие супериммунитет к заражению гомо- и гете-рологичными вирусами [55].
Кроме того, для лизогенов по фагу Р1 характерен супериммунитет, за который отвечает оперон simABC [61]. SimC является аналогом протеинов суперинфекционного исключения, обнаруженных у других умеренных бактериофагов. Такие протеины предупреждают проникновение суперинфицирующей фаговой ДНК в цитоплазму лизогенной клетки. Установлено, что для эффективного
ЛИТЕРАТУРА
1. Canchaya C., Proux C., Fournous C. et al. Prophage genomics // Microbiol. Mol. Biol. Rev. — 2003. — V. 67, N 2. — P. 238-276.
2. Herold S., Karch H., Schmidt H. Shiga toxin-encoding bacteriophages- genomes in motion
функционирования sim-гены должны быть амплифицированы [78]. Эта функция фага Р1 аналогична суперинфекционному исключению, которое кодируется генами immT и gsp вирулентного фага Т4. Вероятно, общебиологическое значение указанных систем состоит в защите фаговой популяции от любых других вирусов, способных размножаться в лизогенных клетках.
Фаг P1 обладает механизмом стабильного наследования профага-плазмиды за счет угнетения роста бесплазмидных дочерних клеток [75]. Гены оперона doc/phd кодируют два протеина, из которых Doc — стабильный токсин, а Phd — нестабильный антидот. При утрате плазмиды после деления клетки Phd медленно разрушается хозяйской протеазой, высвобождая токсин Doc, который является фактором «постсегрегационного убийства» клеток.
В целом, у фага Р1 более 20 генов связаны с лизогенией. Их функции в основном известны. К этой группе относят еще 12 генов (isaB, mlp, ppsA, plp, upl, upl A-C, upl M-O, uplQ), функции которых сейчас еще сложно прогнозировать [62].
Таким образом, интенсивное использование бактерий-продуцентов самых разнообразных веществ промышленного, медицинского и сельскохозяйственного предназначения ставит перед современной биотехнологией ряд актуальных задач неотложного характера. Одной из них является проблема фаголи-зиса промышленных культур. Лизис клеток за счет развития бактериофагов может иметь как экзогенную, так и эндогенную природу. В первом случае его обусловливают фаги, контаминирующие бактериальную популяцию, во втором — умеренные бактериофаги, которые в виде профага могут нести подавляющее большинство бактерий. Эндогенный фаголизис — плохо прогнозируемое событие, предотвратить которое иногда невозможно из-за недостаточного знания о лизогенном состоянии той или иной бактерии. Рассмотрение процессов возникновения и поддержания лизогении у таких модельных бактериофагов, как лямбда, Р22 и Р1, а также генетических эффектов, обусловленных лизо-генизацией клеток, является важным для понимания фаголизиса и его предотвращения.
// Int. J. Med. Microbiol. — 2004. — V. 294, N 2-3. — P. 115-121.
3. Ventura M., Canchaya C., Bernini V. et al.
Comparative genomics and transcriptional
analysis of prophages identified in the genomes of Lactobacillus gasseri, Lactobacillus
salivarius, and Lactobacillus casei // Appl. Environ. Microbiol. — 2006. — V. 72, N 5. — P.3130-3146.
4. Ventura M., Canchaya C., Kleerebezem M. et al. The prophage sequences of Lactobacillus plantarum strain WCFS1 // Virology. —
2003. — V. 316, N 2. — P. 245-255.
5. Hagens S., Loessner M. J. Application of bacteriophages for detection and control of food-borne pathogens // Appl. Microbiol. Biotech-nol. — 2007. — V. 76, N 3. — P. 513-519.
6. McGrath S., Fitzgerald G. F., van Sinderen D. The impact of bacteriophage genomics // Curr. Opin. Biotechnol. — 2004. — V. 15, N 2. — P. 94-99.
7. McGrath S., Fitzgerald G. F., van Sinderen D. Bacteriophages in dairy products: pros and cons // Biotechnol. J. — 2007. — V. 2, N 4. — P. 450-455.
8. Bacteriophages: biology and applications / Edit by E. Kutter, A. Sulakvelidzeю. — CRC Press, 2005. — 514 p.
9. Madera C., Garcia P., Janzen T. et al. Characterisation of technologically proficient wild Lactococcus lactis strains resistant to phage infection // Int. J. Food Microbiol. — 2003. — V. 86, N 3. — P. 213-222.
10. Nelson E. J., Harris J. B., Morris J. G. Jr. et al. Cholera transmission: the host, pathogen and bacteriophage dynamic // Nat. Rev. Microbiol. — 2009. — V. 7, N 10. — P. 693-702.
11. Stella E. J., de la Iglesia A. I., Morbidoni H. R. Mycobacteriophages as versatile tools for genetic manipulation of mycobacteria and development of simple methods for diagnosis of mycobacterial diseases // Rev. Argent. Microbiol. — 2009. — V. 41, N 1. — P. 45-55.
12. Sturino J. M., Klaenhammer T. R. Bacteriophage defense systems and strategies for lactic acid bacteria // Adv. Appl. Microbiol. —
2004. — V. 56 — P. 331-338.
13. The Bacteriophages. 2 Ed. / Edit by R. Calendar. — Oxford: Oxford University Press, 2006. — 746 p.
14. Thurber R. V. Current insights into phage biodiversity and biogeography // Curr. Opin. Microbiol. — 2009. — V. 12, N 5. — P. 582-587.
15. Lwoff A. Lysogeny // Bacteriol. Rev. — 1953. — V. 17, N 4. — P. 269-337.
16. Товкач Ф. И. Дефектная лизогения Erwinia carotovora // Микробиология. — 2002 — Т. 71, № 3. — С. 359-367.
17. Ptashne M. A genetic switch: phage lambda revisited. 3d ed. — Cold Spring Harbor, N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2004. — 154 p.
18. Johnson A. D., Poteete A. R., Lauer G. et al. Lambda Repressor and cro - components of an efficient molecular switch // Nature. — 1981. — V. 19, N 294. — P. 217-223.
19. Cheng H. H., Muhlrad P. J., Hoyt M. A., Echols H. Cleavage of the cII protein of phage lambda by purified HflA protease: control of the switch between lysis and lysogeny // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. —
1988. — V. 85, N 21. — P. 7882-7886.
20. Abraham J., Mascarenhas D., Fischer R. et al. DNA sequence of regulatory region for integration gene of bacteriophage lambda // Ibid. — 1980. — V. 77, N 5. — P. 2477-2481.
21. Campbell A., del-Campillo-Campbell A., Ginsberg M. L. Specificity in DNA recognition by phage integrases // Gene. — 2002. — V. 300, N 1-2. — P. 13-18.
22. Jordan E, Green L., Echols H. Establishment of repression by bacteriophage lambda: lack of a direct regulatory effect of cyclic AMP / / Virology. — 1973. — V. 55, N 2. — P. 521-523.
23. Kihara A., Akiyama Y, Ito K. Host regulation of lysogenic decision in bacteriophage lambda: transmembrane modulation of FtsH (HflB), the cII degrading protease, by HflKC (HflA) // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. —
1997. — V. 94, N 11 — P. 5544-5549.
24. Shotland Y., Shifrin A., Teff D. et al. Proteolysis of bacteriophage lambda CII by Escherichia coli FtsH (HflB) // J. Bacteriol. —
2000. -V. 182, N 11. — P. 3111-3116.
25. Herman C, Thevenet D, D’Ari R., Bouloc P. The HflB protease of Escherichia coli degrades its inhibitor lambda cIII // Ibid. —
1997. — V. 179, N 2. — P. 358-363.
26. Albright R. A., Matthews B. W. How Cro and lambda-repressor distinguish between operators: the structural basis underlying a genetic switch // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. —
1998. — V. 95, N 7. — P. 3431-3436.
27. Anderson W. F., Ohlendorf D. H., Takeda Y., Matthews B. W. Structure of the cro repressor from bacteriophage lambda and its interaction with DNA // Nature. — 1981. — V. 290, N 5809. — P. 754-758.
28. Feiss M. Function of IHF in lambda DNA packaging. I. Identification of the strong binding site for integration host factor and the locus for intrinsic bending in cosB // J. Mol. Biol. —
1993. — V. 230, N 2. — P. 492-504.
29. Weisberg R., Landy A. Site-specific recombi-
nation / Lambda II. Edit by Hendrix R. W., Roberts J., Stahl F., Weisberg R. — Cold Spring Harbor, New York.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1983. —
P. 211-250.
30. Wu R., Kaiser A. D. Structure and base sequence in the cohesive ends of bacteriophage lambda DNA // J. Mol. Biol. — 1968. — V. 35, N 3. — P. 523-537.
31. Campbell A. M. Chromosomal insertion sites for phages and plasmids // J. Bacteriol. — 1992. — V. 174, N 23. — P. 7495-7499.
32. Cho E. H., Gumport R. I., Gardner J. F. Interactions between integrase and excisio-nase in the phage lambda excisive nucleopro-tein complex // Ibid. — 2002. — V. 184, N 18. — P. 5200-5203.
33. Jacob F., Sussman R., Monod J. On the nature of the repressor ensuring the immunity of lyso-genic bacteria // C. R. Hebd. Seances Acad. Sci. — 1962. — N 254. — P. 4214-4226.
34. Roberts J. W., Devoret R. Lysogenic induction / Lambda II. Edit by Hendrix R. W., Roberts J., Stahl F., Weisberg R. — Cold Spring Harbor, New York.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1983. — P. 123-144.
35. Janion C. Inducible SOS response system of DNA repair and mutagenesis in Escherichia coli // Int. J. Biol. Sci. — 2008. — V. 4, N 6. — P. 338-444.
36. Murli S., Walker G. C. SOS mutagenesis // Curr. Opin. Genet. — 1993. — V. 3, N 5. — P. 7197-7225.
37. Galkin V. E., Bielnicki J., Ndjonka D. et al. Cleavage of bacteriophage lambda CI repressor involves the RecA C-terminal domain // J. Mol. Biol. — 2009. — V. 385, N 3. — P. 779-787.
38. Rokney A., Kobiler O., Amir A. et al. Host responses influence on the induction of lambda prophage // Mol. Microbiol. — 2008. — V. 68, N 1. — P. 29-36.
39. Court D. L., Oppenheim A. B., Adhya S. L. A new look at bacteriophage lambda genetic networks // J. Bacteriol. — 2007. — V. 189, N 2. — P. 298-304.
40. Weisberg R. A., Gottesman S., Gottesman M. E. Bacteriophage .n: the lysogenic pathway // Comp. Virology. V. 8. / Edit by Fraenkel-Conrat H., Wagner R. R. — N.-Y., L.: Plenum Press, 1977. — P. 197-258.
41. Beamer L. J., Pabo C. O. Refined 1.8 A crystal structure of the lambda repressor-operator complex // J. Mol. Biol. — 1992. — V. 227, N 1. — P. 177-196.
42. Hochschild A., Irwin N., Ptashne M. Repressor structure and the mechanism of positive control // Cell. — 1983. — V. 32, N 2. — P. 319-325.
43. Von Wilcken-Bergmann B., Bessert H., Barker A., Miller-Hill B. Four dimers of lambda repressor bound to two suitably spaced pairs of lambda operators form octamers and DNA loops over large distances // Curr. Biol. —
1999. — V. 9, N 3. — P. 151-154.
44. Zurla C., Manzo C., Dunlap D. et al. Direct demonstration and quantification of long-range DNA looping by the lambda bacteriophage repressor // Nucleic Acids Res. — 2009. — V. 37, N 9. — P. 2789-2795.
45. Hendrix R. W. Bacteriophages: evolution of the majority // Theor. Popul. Biol. — 2002. — V. 61, N 4. — P. 471-480.
46. Hendrix R. W., Smith M. C., Burns R. N. et al.
Evolutionary relationships among diverse bacteriophages and prophages: all the
world’s a phage // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1999. — V. 96, N 5. — P. 2192-2197.
47. Wrybel B., Wegrzyn G. Evolution of lambdoid replication modules // Virus Genes. — 2002. — V.24,N 2.— P. 163-171.
48. Ackermann H. W. Tailed bacteriophages: the order Caudovirales // Adv. Virus Res. —
1998. — V. 51. — P. 135-201.
49. Sanger F., Coulson A. R., Hong G. F. et al. Nucleotide sequence of bacteriophage lamb-
da DNA // J. Mol. Biol. — 1982. — V. 162, N 4. — P. 729-773.
50. Campbell A. Comparative molecular biology of lambdoid phages // Annu. Rev. Microbiol. —
1994. — V. 48. — P. 193-222.
51. Catalano C. E., Cue D., Feiss M. Virus DNA packaging: the strategy used by phage lambda // Mol. Microbiol. — 1995. — V. 16, N 6. — P. 1075-1086.
52. Hohn B., Wurtz M., Klein B. et al. Phage lambda DNA packaging, in vitro // J. Supramol. Struct. — 1974. — V. 2, N 2-4. — P. 302-317.
53. Earnshaw W. C., Harrison S. C. DNA arrangement in isometric phage heads // Nature. — 1977. — V. 268, N 5621. — P. 598-602.
54. Vander Byl C., Kropinski A. M. Sequence of the genome of Salmonella bacteriophage P22 // J. Bacteriol. — 2000. — V. 182, N 22. — P. 6472-6481.
55. Susskind M. M., Botsyein D. Molecular genetics of bacteriophage P22 // Microbiol. Rew. — 1978. — V. 42, N 2. — P. 385-413.
56. Yamamoto N., Ushijima N., Gemski P., Baron L. S. Genetic studies of hybrids between coliphage lambda and salmonella phage P22: genetic analysis of the P22-lambda hybrid class // Mol. Gen. Genet. — 1977. — V. 155, N 2. — P. 117-121.
57. Kropinski A M., Sulakvelidze A., Konczy P., Poppe C. Salmonella phages and prophages-genomics and practical aspects // Methods Mol. Biol. — 2007. — V. 394. — P. 133-175.
58. Sauer R. T., Krovatin W., De Anda J. et al. Primary structure of the ImmI region of bacteriophage P22 // J. Mol. Biol. — 1983. — V. 168, N 4. — P. 699-713.
59. Smith T. L., Sauer R. T. Role of operator subsites in Arc repression // Ibid. — 1996. — V. 264, N 2. — P. 233 — 242.
60. Susskind M. M., Botstein D. Mechanism of action of Salmonella phage P22 antirepressor // Ibid. — 1975. — V. 98, N 2. — P. 413-424.
61. Lehnherr H. Bacteriophage P1 / The bacteriophages. Ed. by Calendar R. — Oxford: Oxford University Press, 2006. — 746 p.
62. Lobocka M. B., Rose D. J., Plunkett G. et al. Genome of bacteriophage P1 // J. Bacteriol. —
2004. — V. 186, N 21. — P. 7032-7068.
63. Heinrich J., Vellman M., Schuster H. The tripartite immunity system of phage P1 and P7 // FEMS Microbiol. Rev. — 1995. — V. 17, N 1-2. — P. 121-126.
64. Товкач Ф. И. Биологические свойства и классификация бактериоцинов Erwinia carotovora // Микробиология. — 1998. — Т. 67, № 6. — С. 767-774.
65. Горб Т. Е., Товкач Ф. И. Типирование фитопатогенных штаммов Erwinia carotovora на основе пектолитической активности и чувствительности к бактериоцинам (каро-товорицинам) // Там же. — 1997. — Т. 66, № 6. — С. 823-828.
66. Nakayama K., Takashima K., Ishihara H. et al. The R-type pyocine of Pseudomonas aeru-
ginosa is related to P2 phage, and the F-type is related to lambda phage // Mol. Microbiol. —
2000. — V. 38, N 2. — P. 213-231.
67. Shinomiya T. Phenotypic mixing of pyocin R2 and bacteriophage PS17 in Pseudomonas aeruginosa PAO // J. Virol. — 1984. — V. 49, N 2. — P. 310-314.
68. Cascales E., Buchanan S. K., Duche D. et al. Colicin biology // Microbiol. Mol. Biol. Rev. — 2007. — V. 71, N 1. — P. 158-229.
69. Baba T., Takeuchi F., Kuroda M. et al. Genome and virulence determinants of high virulence community-acquired MRSA // Lancet. — 2002. — V. 359, N 9320. — P. 1819-1827.
70. Smoot J. C., Barbian K. D., Van Compel J. J. et al. Genome sequence and comparative microarray analysis of serotype M18 group A Streptococcus strains associated with acute rheumatic fever outbreaks // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2002. — V. 99, N 7. — P. 4668-4673.
71. Glaser P., Frangeul L,, Buchrieser C. et al. Comparative genomics of Listeria species // Science. —
2001. — V. 294, N 5543. — P. 849-852.
72. McClelland M., Sanderson K. E., Spieth J. et al. Complete genome sequence of Salmonella ente-rica serovar Thyphimurium LT2 // Nature. —
2001. — V. 413, N 6858. — P. 852-856.
73. Perna N. T., Plunkett G., Barland V. et al. Genome sequence of enterohaemorrhagie Escherichia coli O157:H7 // Ibid. — 2001. — V. 409, N 6819. — P. 529-533.
74. Molineux I. J. Host-parasite interactions: recent developments in the genetics of abortive phage infections // New Biol. — 1991. — V. 3, N 3. — P. 230-236.
75. Garcia-Pino A., Christensen-Dalsgaard M., Wyns L. et al. Doc of prophage P1 is inhibited by its antitoxin partner Phd through fold complementation // J. Biol. Chem. — 2008. — V. 283, N 45. — P. 30821-30827.
76. Engelberg-Kulka H., Reches M., Narasimhan S. et al. RexB of bacteriophage lambda is an anticell death gene // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. —
1998. — V. 95, N 26. — P. 15481-15486.
77. Vaca Pacheco S., Garcia Gonzalez O., Paniagua Contreras G. L. The lom gene of bacteriophage lambda is involved in Escherichia coli K12 adhesion to human buccal epithelial cells // FEMS Microbiol. Lett. — 1997. — V. 156, N 1. — P. 129-132.
78. Kliem M., Dreiseikelmann B. The superimmunity gene sim of bacteriophage P1 causes superinfection exclusion // Virology. —
1989. — V. 71, N 2. — P. 350-355.
ЛІЗОГЕНІЯ У БАКТЕРІЙ ТА ЇЇ ЗНАЧЕННЯ ДЛЯ БІОТЕХНОЛОГІЇ
А. І. Кушкіна Ф. І. Товкач
Інститут мікробіології та вірусології ім. Д. К. Заболотного НАН України, Київ
E-mail: [email protected]
Фаголізис промислових культур — актуальна проблема біотехнології мікроорганізмів. Його прояви є незворотними і призводять до значних економічних збитків. На сьогодні для комерційно цінних штамів мікроорганізмів існують генно-інженерні системи захисту, які спрямовані на запобігання ендогенному й екзогенному фаголі-зису. Гозуміння молекулярно-генетичних основ виникнення, підтримання і передачі літичних та лізогенних вірусних інфекцій у бактеріальних популяціях, без сумніву, буде корисним для біотехнологів і допоможе оптимізувати технологічні процеси та забезпечити прибуткове виробництво. В огляді проаналізовано найбільш вивчені лізогенні системи, подано ключові визначення, які стосуються лізогенії, та пояснення біологічних особливостей асоціації «помірний бактеріофаг-клітина».
Ключові слова: лізогенія, регуляція, помірні бактеріофаги, протеїн-репресор, лізогенна конверсія.
BACTERIAL LYSOGENY AND ITS SIGNIFICANCE FOR BIOTECHNOLOGY
A. I. Kushkina F. I. Tovkach
Zabolotny Institute of Microbiology and
Virology of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv
E-mail: [email protected]
Lysis of industrial bacterial cultures caused by bacteriophages is an actual problem for microbial biotechnology. Its outcome is irreversible and leads to large financial losses. For commercially valuable species of microbes genetically engineering strains resistant against exogenous and endogenous phage lysis are used today. However, understanding of molecular genetic basis of nascence, persistence and carry over lytic and lysogenic phage infections at bacterial populations, surely, is useful for biotechnologists and will help them to optimize technological processes and to ensure profitable productions. In th8 review the circuits of the most well known lysogenic systems are analyzed, the key concepts concerning lysogeny are provided, and biological feature of «temperate bacteriophage-host bacterium» interaction is explained.
Key words: lysogeny, regulation, moderate phages, protein-repressor, lysogenic conversion.
