Жизненные циклы вирусов литический и лизогенный

Обновлено: 27.03.2024


Лизогенный цикл – модель развития умеренных бактериофагов. Отличается от литического цикла тем, что после проникновения в цитоплазму геном фага не уничтожает геном бактерии, а встраивается в него, образуя профаг. Клетки бактерий, содержащие профаг, не лизируются, а продолжают делиться, передавая профаг по наследству [3] .

Бактериофаги способны развиваться по двум моделям: лизогенный цикл и литический цикл. Начальные стадии обоих путей взаимодействия фагов с бактериальной клеткой сходны [2] [1] .

Начальные стадии взаимодействия с клеткой

Как указывалось ранее, начальные стадии взаимодействия умеренных фагов с клетками бактерий такие же, как и у вирулентных. В начале умеренный бактериофаг проходит через первые две стадии литического цикла:

  • адсорбция фага на фагоспецифических рецепторах бактериальной клетки;
  • инъекция нуклеиновой кислоты бактериофага в клетку-хозяина [1] .

В дальнейшем умеренный профаг может, как включится в литический цикл, так и образовать профаг, то есть развиваться по лизогенному циклу [3] .

Лизогенный цикл - Взаимодействие умеренных и вирулентных бактериофагов с клеткой

Взаимодействие умеренных и вирулентных бактериофагов с клеткой

Лизогенный цикл - Взаимодействие умеренных и вирулентных бактериофагов с клеткой

1. Адсорбция фага на клетке; 2. Интеграция фаговой ДНК в хромосому бактерии; 3. Репликация фаговой ДНК вместе с бактериальной; 4. Деление клетки; 5. Репликация фаговой ДНК и синтез фаговых белков; 6. Образование капсидов; 7. Упаковка ДНК в капсиды; 8. Созревание фаговых частиц; 9. Лизис клетки и выход фаговых частиц [3] .

Развитие умеренных фагов по лизогенному пути

Данная кольцевая молекула обычно не приступает к транскрипции, а встраивается в бактериальную хромосому. Встраивание ДНК фага λ в бактериальную хромосому осуществляется в одном и том же месте. Этот процесс называется сайт-специфической рекомбинацией. За интеграцию ДНК фага отвечает фермент лямбда-интеграза. Этот фермент распознает две разные последовательности: одну в хромосомной ДНК, другую в ДНК фага, с последующим разрывом молекул ДНК и их дальшейшим перекрестным воссоединением [3] .

После внедрения ДНК бактериофага λ в бактериальную клетку выбор между двумя путями развития зависит от скорости накопления регуляторных белков. Если преобладает белок Cro, то начинают развиваться события литического цикла. При проявлении функции репрессорного белка cI, литический цикл не осуществляется, поскольку cI связывается с ДНК фага λ в особых участках и препятствует транскрипции фаговых генов [3] .

При выборе лизогенного пути процесс завершается тем, что ДНК фага λ реплицируется с клеточной ДНК и функционирует с ней как единая структура. Все дочерние клетки такой бактерии (лизогенная бактерия) при делении получают копию фаговой ДНК (профаг) в составе хромосомы [3] .

Устойчивость лизогенного цикла

Лизогенный цикл поддерживается благодаря постоянному образованию белка репрессора сІ. Однако это состояние довольно неустойчиво. В любой момент могут проявиться антирепрессорные функции белка Cro и произойти переключение на окончательные стадии литического пути: Сначала совместную репликацию нуклеиновой кислоты бактериофага и бактериальной клетки. Затем морфогинез бактериофага. И окончание цикла развития – лизис клетки [2] [3] .

Экспериментально установлено, что в популяции лизогенных бактерий в одной из 102–105 клеток наблюдается спонтанная индукция профага и запускается литический путь, что приводит к лизису бактериальных клеток [3] .

Эффективность лизогенного цикла зависит как от состояния бактерии-хозяина, так и от воздействия физических и химических факторов. Индукторами перехода от лизогенного цикла к литическому и обратно могут являться: ультрафиолетовое излучение, митомицин C, алкирующие агенты, иногда изменение температуры [3] .

Литический цикл это один из двух альтернативных жизненных циклов вируса внутри клетки-хозяина, благодаря которому вирус, попадающий в клетку, берет на себя механизм его репликации. Оказавшись внутри, ДНК и вирусные белки производятся, а затем лизируются (разрушаются) клетки. Таким образом, недавно произведенные вирусы могут оставить клетку-хозяина теперь дезинтегрированной и инфицировать другие клетки..

Этот метод репликации контрастирует с лизогенным циклом, в течение которого вирус, который инфицировал клетку, внедряется в ДНК хозяина и, выступая в качестве инертного сегмента ДНК, реплицируется только тогда, когда клетка делится..


Лизогенный цикл не вызывает повреждения клетки-хозяина, но является латентным состоянием, в то время как литический цикл приводит к разрушению инфицированной клетки..

Литический цикл обычно считается основным методом репликации вируса, поскольку он более распространен. Кроме того, лизогенный цикл может привести к литическому циклу, когда есть событие индукции, такое как воздействие ультрафиолетового света, которое заставляет эту латентную стадию войти в литический цикл.

Благодаря лучшему пониманию литического цикла ученые могут лучше понять, как иммунная система реагирует на отпугивание этих вирусов и как могут быть разработаны новые технологии для преодоления вирусных заболеваний..

Чтобы узнать, как прервать репликацию вируса и, таким образом, бороться с болезнями, вызванными вирусами, поражающими людей, животных и сельскохозяйственные культуры, проводится множество исследований..

Ученые надеются, что однажды смогут понять, как остановить триггеры, которые запускают деструктивный литический цикл в вирусах санитарного интереса.

  • 1 Общие черты литического цикла
  • 2 Фазы литического цикла: пример фага Т4
    • 2.1 Фиксация / Адгезия к клетке
    • 2.2 проникновение / проникновение вирусов
    • 2.3 Репликация / Синтез вирусных молекул
    • 2.4 Сборка вирусных частиц
    • 2.5 Лизис инфицированной клетки

    Общие положения литического цикла

    Вирусную репродукцию лучше всего понять, изучая вирусы, которые заражают бактерии, известные как бактериофаги (или фаги). Литический цикл и лизогенный цикл являются двумя основными репродуктивными процессами, которые были идентифицированы в вирусах..

    На основании исследований с бактериофагами эти циклы были описаны. Литический цикл включает в себя попадание вируса в клетку-хозяина и контроль над молекулами, которые реплицируют ДНК клетки с образованием вирусной ДНК и вирусных белков. Это два класса молекул, которые структурно составляют фаги.

    Когда в клетке-хозяине есть много вирусных частиц, недавно произведенных внутри, эти частицы способствуют разрушению клеточной стенки изнутри.

    Посредством молекулярных механизмов, характерных для фага, образуются определенные ферменты, которые способны разрушать связи, которые поддерживают клеточную стенку, что облегчает высвобождение новых вирусов..

    Например, бактериофаг лямбда, после заражения клетки-хозяина Кишечная палочка, он обычно вставляет свою генетическую информацию в бактериальную хромосому и остается в состоянии покоя.

    Однако при определенных стрессовых условиях вирус может начать размножаться и идти по литическому пути. В этом случае продуцируется несколько сотен фагов, в это время бактериальная клетка сглаживается и потомство высвобождается..

    Фазы литического цикла: пример фаго Т4

    Вирусы, которые размножаются в литическом цикле, называются вирулентными вирусами, потому что они убивают клетки. Фаг T4 является наиболее изученным реальным примером для объяснения литического цикла, который состоит из пяти этапов.

    Фиксация / Адгезия к клетке

    Фаг T4 сначала прилипает к клетке-хозяину Кишечная палочка. Это связывание осуществляется с помощью хвостовых волокон вируса, которые имеют белки с высоким сродством к клеточной стенке хозяина..

    Место, где вирус прилипает, называют сайтами рецепторов, хотя к нему также могут присоединяться простые механические силы.

    Проникновение / проникновение вирусов

    Чтобы заразить клетку, вирус должен сначала проникнуть в клетку через плазматическую мембрану и клеточную стенку (если есть). Затем он выпускает свой генетический материал (РНК или ДНК) в клетку.

    В случае фага Т4 после связывания с клеткой-хозяином высвобождается фермент, который ослабляет участок стенки клетки-хозяина.

    Затем вирус вводит свой генетический материал аналогично игле для подкожных инъекций, прижимаясь к клетке через слабое место клеточной стенки.

    Репликация / Синтез вирусных молекул

    Нуклеиновая кислота вируса использует механизм клетки-хозяина для производства большого количества вирусных компонентов, как генетического материала, так и вирусных белков, которые составляют структурные части вируса..

    В случае ДНК-вирусов ДНК транскрибируется в молекулы мессенджер-РНК (мРНК), которые затем используются для направления рибосом клетки. Один из первых произведенных вирусных полипептидов (белков) имеет функцию уничтожения ДНК инфицированной клетки..

    В ретровирусах (которые вводят цепь РНК) уникальный фермент, называемый обратная транскриптаза транскрибирует вирусную РНК в ДНК, которая затем транскрибируется обратно в мРНК.

    В случае фага Т4, ДНК бактерии Кишечная палочка он инактивируется, а затем ДНК вирусного генома берет на себя управление, и вирусная ДНК делает РНК из нуклеотидов в клетке-хозяине, используя ферменты клетки-хозяина..

    Сборка вирусных частиц

    После того, как несколько копий вирусных компонентов (нуклеиновых кислот и белков) были произведены, они собираются, чтобы сформировать полные вирусы.

    В случае фага T4 белки, кодируемые ДНК фага, действуют как ферменты, которые участвуют в образовании новых фагов..

    Весь метаболизм хозяина направлен на выработку вирусных молекул, что приводит к клетке, полной новых вирусов и неспособной восстановить контроль.

    Лизис зараженной клетки

    После сборки новых вирусных частиц вырабатывается фермент, который разрушает клеточную стенку бактерий изнутри и позволяет проникать жидкостям из внеклеточной среды..

    Клетка в итоге заполняется жидкостью и взрывается (лизис), отсюда и ее название. Новые выпущенные вирусы способны инфицировать другие клетки и, таким образом, начать процесс заново.

    Лизогенный цикл, также называемый лизогенией, является стадией процесса размножения некоторых вирусов, в основном тех, которые поражают бактерии. В этом цикле вирус вставляет свою нуклеиновую кислоту в геном бактерии-хозяина..

    Этот цикл образует вместе с литическим циклом два основных механизма репликации вируса. Когда бактериофаг во время лизогенного цикла вставляет свою ДНК в бактериальный геном, он становится профаном.


    Бактерия, зараженная этим профаном, продолжает жить и размножаться. Когда происходит размножение бактерий, также получается копия профага. В результате каждая бактериальная дочерняя клетка также заражается профаном.

    Размножение зараженных бактерий и, следовательно, их профагов-хозяев может продолжаться в течение нескольких поколений без проявления вируса..

    Иногда самопроизвольно или в условиях стресса окружающей среды ДНК вируса отделяется от бактериальной. Когда происходит разделение бактериального генома, вирус запускает литический цикл.

    Эта репродуктивная стадия вируса вызовет разрыв бактериальной клетки (лизис), что приведет к выпуску новых копий вируса. Эукариотические клетки также подвержены атаке лизогенных вирусов. Однако пока неизвестно, как происходит вставка вирусной ДНК в геном эукариотической клетки..


    • 1 бактериофаг
    • 2 Цикл вирусной инфекции
      • 2.1 Литический цикл
      • 2.2 Лизогенный цикл
      • 2.3 Непрерывный цикл разработки
      • 2.4 Псевдолизеногенный цикл
      • 4.1 Преимущества фаготерапии

      Бактериофаг

      Вирусы, которые заражают только бактерии, называются бактериофагами. Они также известны как фаги. Размер этого типа вируса довольно изменчив, с диапазоном размеров, который может быть приблизительно между 20 и 200 нм..

      Бактериофаги распространены повсеместно и способны развиваться практически в любой среде, где обнаружены бактерии. Подсчитано, например, что чуть менее трех четвертей бактерий, населяющих море, заражены фагами.

      Цикл вирусной инфекции

      Вирусная инфекция начинается с адсорбции фага. Фаговая адсорбция происходит в два этапа. В первом, известном как обратимое, взаимодействие между вирусом и его потенциальным хозяином слабое.

      Любое изменение условий окружающей среды может привести к прекращению этого взаимодействия. Вместо этого в необратимом взаимодействии участвуют специфические рецепторы, которые предотвращают прерывание взаимодействия..

      ДНК вируса может проникать внутрь бактерий только тогда, когда происходит необратимое взаимодействие. Впоследствии, в зависимости от типа фага, они могут выполнять различные репродуктивные циклы.

      В дополнение к уже описанным литическим и лизогенным циклам существуют два других репродуктивных цикла: непрерывное развитие и псевдолиогенный..

      Литический цикл

      На этом этапе размножение вируса внутри бактерий происходит быстро. В конце концов бактерии будут страдать от лизиса клеточной стенки и новые вирусы будут выпущены в окружающую среду..

      Каждый из этих недавно выпущенных фагов может атаковать новую бактерию. Последовательное повторение этого процесса позволяет экспоненциально расти инфекции. Бактериофаги, которые участвуют в литическом цикле, называются вирулентными фагами..

      Лизогенный цикл

      В этом цикле лизис клетки-хозяина не происходит, как это происходит в литическом цикле. После стадий адсорбции и проникновения стадия интеграции фаговой ДНК в бактериальную клетку продолжается и превращается в профаго..

      Репликация фага будет происходить одновременно с размножением бактерий. Profagos, интегрированный в бактериальный геном, будет наследоваться дочерними бактериями. Вирус может продолжаться без проявления в течение нескольких поколений бактерий..

      Этот процесс является частым, когда количество бактериофагов велико по сравнению с количеством бактерий. Вирусы, которые осуществляют лизогенный цикл, не являются вирулентными и называются умеренными..

      В конце концов, profagos можно отделить от бактериального генома и трансформировать в литические фаги. Последние входят в литогенный цикл, что приводит к бактериальному лизису и заражению новых бактерий.


      Непрерывный цикл разработки

      Некоторые бактериофаги выполняют многочисленные репликации внутри бактерий. В этом случае, вопреки тому, что происходит во время лизогенного цикла, он не вызывает бактериального лизиса..

      Вновь реплицированные вирусы высвобождаются из бактерий в определенных местах на клеточной мембране, не вызывая их разрушения. Этот цикл называется непрерывным развитием.

      Псевдолигенный цикл

      Иногда доступность питательных веществ в окружающей среде недостаточна для нормального роста и размножения бактерий. В этих случаях считается, что доступной клеточной энергии недостаточно, чтобы фаги вызывали лизогению или лизис..

      Из-за этого вирусы попадают в псевдолизеногенный цикл. Этот цикл, однако, еще мало известен.

      Лизогенная конверсия

      В конце концов, продукт взаимодействия между профаго и бактерией, первый может вызвать появление изменений в фенотипе бактерии..

      Это происходит главным образом, когда бактерия-хозяин не является частью обычного цикла вируса. Это явление называется лизогенной конверсией.

      Изменения, вызванные в бактериях ДНК профага, увеличивают биологический успех хозяина. Увеличивая биологическую способность и успех выживания бактерий, вирус также приносит пользу..

      Этот тип выгодных отношений для обоих участников может быть классифицирован как тип симбиоза. Однако мы должны помнить, что вирусы не считаются живыми существами..

      Основным преимуществом лизогенно-трансформированных бактерий является их защита от нападения других бактериофагов. Лизогенная конверсия может также увеличить патогенность бактерий у их хозяев..

      Даже непатогенные бактерии могут стать патогенными вследствие лизогенного превращения. Это изменение в геноме является постоянным и наследуемым.

      лечение обильной диета

      Фаготерапия - это терапия, которая включает применение фага в качестве контрольного механизма для предотвращения распространения патогенных бактерий. Эта методология бактериального контроля была впервые использована в 1919 году..

      В этом случае она использовалась для лечения пациента, страдающего дизентерией, и получила совершенно благоприятный результат. Фаготерапия была успешно использована в начале прошлого века.

      С открытием пенициллина, а также других антибиотиков субстанция фаготерапии практически прекратилась в Западной Европе и на американском континенте..

      Беспорядочное использование антибиотиков позволило создать штаммы бактерий, мультирезистентные к антибиотикам. Эти бактерии становятся все более частыми и устойчивыми.

      В связи с этим в западном мире появился новый интерес к развитию фаготерапии для контроля за контаминацией и бактериальными инфекциями..

      Преимущества фаготерапии

      1) Рост фага происходит экспоненциально, усиливая его действие со временем, антибиотики наоборот, со временем теряют свое действие из-за метаболического разрушения молекулы.

      2) Фаги обладают способностью подвергаться мутациям, что позволяет им бороться с сопротивлением, которое бактерии могут развить к их атаке. Напротив, антибиотики всегда имеют один и тот же активный ингредиент, поэтому, когда бактерии развивают устойчивость к таким активным ингредиентам, антибиотики бесполезны

      3) Фаготерапия не имеет побочных эффектов, которые могут быть вредны для пациентов..

      4) Разработка нового штамма фага является гораздо более быстрой и дешевой процедурой, чем открытие и разработка нового антибиотика..

      5) Антибиотики воздействуют не только на патогенные бактерии, но и на другие потенциально полезные. Фаги, с другой стороны, могут быть видоспецифичными, так что лечение против бактерий, ответственных за инфекцию, может быть ограничено, не затрагивая другие микроорганизмы..

      6) Антибиотики не убивают все бактерии, поэтому выжившие бактерии могут передавать генетическую информацию, которая придает устойчивость к антибиотику их потомкам, создавая таким образом устойчивые штаммы. Лизогенетические бактериофаги убивают бактерии, которые они заражают, уменьшая возможность развития устойчивых штаммов бактерий..


      Литический цикл – модель развития бактериофага, включающая три этапа: заражение бактериальной клетки, воспроизведение фага, лизис клетки-хозяина [3] .

      Бактериофаги развиваются по двум вариантам: литический цикл и лизогенный цикл. Характерно что, умеренные фаги и вирулентные фаги на начальных этапах взаимодействия с бактериальной клеткой проходят одни и те же стадии. Умеренные фаги могут формировать профаги и кроме литического цикла, проходить через лизогенный цикл развития. Вирулентные бактериофаги способны развиваться только по литической модели, включающей в себя пять стадий [4] .

      Содержание:

      Адсорбция бактериофага

      Первая стадия развития по литическому пути – адсорбция фага на фагоспецифических рецепторах бактериальной клетки. Этот процесс происходит посредством специфических рецепторов, располагающихся на кончике нити, хвостика или шипа фага [1] .

      На клеточной стенке бактерии присутствуют фагоспецифические рецепторы, которые фаг способен распознавать. Для одних бактериофагов такие рецепторы находятся в липопротеидном слое клеточной стенки, для других – в липосахаридном слое, для третьих – на пилях или жгутиках [1] .

      Базальная пластинка с шипами (статья "Бактериофаг") прикрепляется к стенке бактериальной клетки. В месте контакта с помощью фермента лизоцима, содержащегося в шипах и базальной пластинке, вызывается лизис клеточной стенки. Параллельно ионы кальция активируют АТФ-азу, содержащуюся в белках чехла, что приводит к его сокращению в два раза. В результате, внутренний стержень прокалывает клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану на разрушенном участке [1] .

      Отмечается, что адсорбция фага является пусковым моментом его жизненного цикла и отличается специфичностью. Это дает возможность использовать бактериофаги для идентификации бактерий [3] .

      Литический цикл - Адсорбция бактериофага на клеточной стенке бактерии

      Адсорбция бактериофага на клеточной стенке бактерии

      Литический цикл - Адсорбция бактериофага на клеточной стенке бактерии

      Инъекция нуклеиновой кислоты

      Вторая стадия развития по литическому пути – инъекция нуклеиновой кислоты бактериофага в клетку-хозяина. Около 10% фаговой нуклеиновой кислоты активно впрыскивается при сокращении чехла хвоста. Остальная часть генетического материала втягивается в цитоплазму бактериальной клетки благодаря транскрипции и работе трансляционного аппарата. Белки капсида, чехла и стержня остаются снаружи клеточной стенки и внутрь клетки не попадают [1] .

      Литический цикл - Введение нуклеиновой кислоты (НК) фага в бактериальную клетку

      Введение нуклеиновой кислоты (НК) фага в бактериальную клетку

      Литический цикл - Введение нуклеиновой кислоты (НК) фага в бактериальную клетку

      1. Схема введения НК фага в бактериальную клетку.

      2. Пустые фаговые капсиды и отростки на поверхности инфицированной клетки (микрография) [2]

      Репликация нуклеиновых кислот

      Третья стадия развития бактериофага по литическому пути – совместная репликация нуклеиновой кислоты бактериофага и бактериальной клетки [1] .

      Нуклеиновая кислота бактериофага направляет синтез ферментов, используя белоксинтезирующий аппарат бактерии. Затем каким-либо способом инактивируются ДНК и РНК хозяина, и впоследствии ферменты фага окончательно расщепляют ее. После этого РНК фага полностью подчиняет клеточный аппарат синтеза белка [1] .

      Репликация геномной ДНК или РНК бактериофага не отличается от общего механизма репликации. Степень зависимости нуклеиновой кислоты фага от хромосомы клетки определено набором генов у фага. Крупные фаги производят репликацию не зависимо от бактериальных генов, средние – частично нуждаются в их помощи. Мелкие – почти полностью зависимы от хромосомных генов клетки-хозяина. После начала репликации синтезируются поздние вирусные информационные РНК, что приводит к образованию второго набора вирус-специфических белков, в том числе и субъединиц вирусного капсида [1] .

      Литический цикл - Схема сборки фаговых частиц

      Схема сборки фаговых частиц

      Литический цикл - Схема сборки фаговых частиц

      Морфогенез фагов

      Четвертая стадия развития бактериофага по литическому пути – морфогинез фагов. Этот процесс представляет собой сборку вновь синтезированных вирионов (заключение нуклеиновой кислоты в белковую оболочку) [1] .

      Морфогенез мелких фагов протекает по типу самосборки. У крупных – морфогинез требует активности десятков генов и происходит при участии нескольких самостоятельных линий. Так для фага Т4 этот процесс требует активности более 40 генов и протекает при участии трех линий. На одной, при участии 20 генов, идет сборка хвоста. На второй, при участии 16 генов – головка фага. На третьей, при участии 5 генов – сборка ворсин. Соединение хвоста и головки участия генов не требует, но не происходит до тех пор пока головка и отросток не будут смонтированы полностью. Ворсины присоединяются к хвосту только после его полного соединения с головкой [1] .

      Последовательность и согласованность всех процессов внутриклеточного размножения обеспечивается благодаря строгому генетическому контролю со стороны нуклеиновой кислоты фага [3] .

      Литический цикл - Выход вирионов фага из бактериальной клетки

      Выход вирионов фага из бактериальной клетки

      Литический цикл - Выход вирионов фага из бактериальной клетки

      Лизис клетки

      Пятая и заключительная стадия развития бактериофага по литическому пути – лизис клетки. Клетка лопается под воздействием лизоцима и высвобождает от 200 до 1000 новых фаговых частиц, способных инфицировать другие бактерии [1] .

      Выход вновь синтезированных фагов из клетки может происходить несколькими способами:

      • путем почкования (характерно для фага М13 – единственного, не вызывающего гибель клетки при выходе из нее);
      • путем лизиса клетки изнутри – осуществляется ферментом лизоцим и вызывает гибель клетки [1] .

      Лизоцим синтезируется, как поздний вирус-специфический белок и воздействует на пептидогликановый слой стенки клетки бактерии. Это приводит к разрыву стенки и выходу синтезированных фагов [1] .

      Лизис бактерии может происходить и извне, как следствие адсорбции большого количества фагов на одной и той же клетке. При этом не наблюдается размножение фагов. Это объясняется тем, что обычно после внедрения одного фагового генома в клетку, у нее возникает состояние иммунитета к суперинфекции данным фагом и проникновение других фаговых геномов становится невозможным [3] .

      Оставьте свой отзыв:

      Отзывы:

      Составитель: Григоровская П.И.

      Последнее обновление: 11.05.21 16:54

      Статья составлена с использованием следующих материалов:

      Иконникова Н.В. Бактериофаги – вирусы бактерий: учеб. пособие, Минск: ИВЦ Минфина, 2017. – 41 c

      Литусов Н.В. Бактериофаги. Иллюстрированное учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГМА, 2012. - 38 с.

      Лысак В.В. Микробиология : учеб. пособие / В. В. Лысак. – Минск: БГУ, 2007 – 430 с

      Читайте также: