Bakteriophagen (Phagen) sind Viren, die spezifisch Bakterien infizieren. Sie haben einen zweiphasigen Lebenszyklus, wohnen in einem Ruhezustand innerhalb des Wirtsgenoms (lysogener Zyklus) oder entführen die Wirtszellmaschinerie für ihre eigene Replikation (lytischer Zyklus). Hier werden wir die wichtigen Schritte des lytischen Zyklus untersuchen.
Was ist der lytische Zyklus?,
Während das Endergebnis des lytischen Zyklus die Produktion neuer Phagen-Nachkommen und der Tod der Wirtsbakterienzelle ist, ist dies ein mehrstufiger Prozess, der eine präzise Koordination von Gentranskription und physikalischen Prozessen beinhaltet. Der Phage muss eine anfällige und geeignete Bakterienzelle des Wirts identifizieren, an die er sich anhaften kann. Nach der Einführung von Phagen-genetischem Material in die Zelle wird das Wirtsgenom zerstört, und der Phage nutzt die Wirtszellmaschinerie, um Kopien seines eigenen Genoms herzustellen und die Strukturkomponenten zu synthetisieren., Neue Phagen werden zusammengesetzt, bevor die Wirtszelle schließlich lysiert und die Phagen-Nachkommen in die Umgebung freigesetzt werden, um neue Zielzellen zu finden.
Lytic cycle steps
Phage attachment
Um in eine wirtsbakterienzelle Zelle einzudringen, muss sich der Phage zuerst an das Bakterium binden (auch Adsorption genannt). Der erste Kontakt zwischen Phagen und Bakterium erfolgt häufig durch zufällige Kollisionen und die anfängliche Bindung ist reversibel. Nicht alle Bakterien-Phagen-Kombinationen haben kompatible Rezeptoren und rezeptorbindende Proteine, daher ist dies ein selektiver Prozess., Verschiedene Phagen-Arten zielen auf eine Reihe verschiedener Moleküle auf Bakterienzellen ab, einschließlich Polysaccharid-Moieties, Proteine und andere Zelloberflächenstrukturen wie Pili. Soweit wir wissen, fallen diese Zielmoleküle alle unter die Kategorie der bakteriellen Zellwandkomponenten oder hervorstehenden Strukturen.
Phagen-Rezeptor-Bindungsproteine sind am häufigsten mit Phagen-Schwänzen assoziiert, wurden jedoch an anderen Stellen auf Phagen identifiziert. Nach reversibler Bindung bindet der Phage irreversibel an die Zelle, nicht immer durch denselben Rezeptor wie der anfängliche Bindungsschritt., Dieser zweistufige Bindungsvorgang kann insbesondere in Fällen von Vorteil sein, in denen die irreversible Bindungsdomäne weniger leicht zugänglich ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Paarung mit der richtigen Zielzelle verbessert wird.
Bakterien haben eine Reihe von Möglichkeiten, sich gegen Phagen-Anheftung zu verteidigen, die sich um die Maskierung der Rezeptoren mit Schleimkapsel-oder Schleimschichten drehen, indem sie kompetitive Inhibitoren produzieren oder auf andere Weise den Zugang blockieren. Phagenrezeptoren werden häufig durch Mutationen identifiziert, die die Bakterien gegen Phagenlyse resistent machen., Die Phage Receptor Database (PhReD) bietet ein nützliches Repository bekannter Rezeptoren auf Wirtszelloberflächen.
Bakterieller Zelleintritt
Eine erfolgreiche Adsorption löst die nächsten Infektionsstadien aus, die eine Injektion des genetischen Materials der Phage in die Wirtszelle erfordern. Dazu muss der Phage in die Bakterienzelle eindringen. Beweise hat vorgeschlagen, dass die Anhaftung und das eindringen koordiniert der Bodenplatte im tailed Phagen. Phagenschwänze variieren stark durch die Natur, aber die anspruchsvollsten haben eine Röhre für die Lieferung von genetischem Material, umgeben von einer kontraktilen Hülle., Die Hülle zieht sich wie eine gewickelte Feder zusammen und treibt dann bei der Freisetzung das Röhrchen in die Bakterienzelle. In T4-Phagen besteht der gesamte Grundplatten-Endrohr-Komplex aus rund einer Million Atomen, aus denen 145 Ketten von 15 verschiedenen Proteinen bestehen. Die leere Phagenzelle, die außerhalb des Bakteriums verbleibt, wird als Geist oder Donut bezeichnet.
Phagenreplikation
Einmal im Inneren synthetisiert der Phage frühe Proteine, einschließlich Endonukleasen und Exonukleasen, die das Wirtsgenom abbauen. Sie sind dann in der Lage, die Maschinerie der Wirtszelle zu nutzen, um Proteine zu synthetisieren und Nachkommen zu produzieren., Die freigesetzten Nukleotide können durch den Phagen für die Replikation ihrer eigenen Nachkommen (z. B. T7-Phage) recycelt oder aus der Wirtszelle ausgeschieden werden (z. B. T5-Phage). Kleine chemische Modifikationen (im Falle von T4-Phagen, chemische Modifikation der viralen Cytidine) am Phagen-Genom ermöglichen eine Differenzierung des genetischen Materials vom Wirtsgenom und verhindern den Selbstabbau während dieses Prozesses. Andere frühe Proteine umfassen diejenigen, die für die Replikation des Phagen-Genoms erforderlich sind., RNA wird nicht abgebaut, so dass der Phage auch Inhibitoren produzieren kann, die verhindern, dass Wirts-RNA-Polymerase während einer späteren Infektion virale Polymerasen stört. Das neu synthetisierte Phagen-Genom produziert Spätproteine einschließlich der Kapsid-Untereinheiten und des Schwanzes. Dieser Prozess kann innerhalb von Minuten nach der Infektion der Bakterien auftreten.
Die Geburt eines neuen Phagen
Sobald alle Bestandteile synthetisiert sind, müssen sie zu einem reifen Phagen zusammengesetzt werden. Kapsidproteine bilden leere Köpfe, in die kondensierte Phagen-DNA gepackt ist., Die Schwanzteile bauen sich unabhängig von der Kopfstruktur zusammen und der letzte Schritt in der Synthese besteht darin, die gefüllten Köpfe mit den Schwänzen zu verbinden, um Nachkommen-Phagen zu bilden.
Die durch den Phagen produzierten Enzyme schwächen allmählich die bakterielle Zellwand und schließlich die Bakterienzellen lyse, Freigabe im Durchschnitt 100-200 phagen Nachkommen in die Umgebung.
Aufgrund der Art der Infektionen verändern lytische Phagen den Phänotyp oder Genotyp der Zellen, die sie infizieren, nicht., Sie üben jedoch selektiven Druck auf die Bakterienpopulation aus, eliminieren anfällige Wirte und fördern die Ausbreitung von Resistenzen, beispielsweise durch Gentransfer innerhalb der Bakterienpopulation.
Beobachten Sie den lytischen Zyklus in Aktion.