Հիմնական նյութ

Դասընթաց․ (11-րդ դասարան. կենսաբանություն) > Բաժին 1

Դաս 1: Վիրուսներ

Բակտերիաֆագեր

Բակտերիաներ ախտահարող վիրուսներ։ Լիտիկ և լիզոգեն ցիկլեր։

Ներածություն

Նույնիսկ բակտերիան կարող է վարակվել վիրուսով։ Այն վիրուսները, որոնք վարակում են բակտերիան, կոչվում են բակտերիաֆագեր (կարճ՝ ֆագեր)։ Որոշ ֆագեր առավել մանրամասն ուսումնասիրվում են լաբորատորիայում (որպեսզի ավելի լավ ծանոթանան դրանց)։

Այս հոդվածում կուսումնասիրենք միմյանցից տարբեր երկու շրջափուլ, որոնք նկարագրում են, թե ինչպես են բակտերիաֆագերը վարակում բատերիաները։

Լիտիկ շրջափուլ։ Ֆագը վարակում է բակտերիան և «ստիպում» դրան առաջացնել բազմաթիվ նոր ֆագեր, այնուհետև պայթեցնելով տեր բջիջը՝ սպանում է վերջինիս (լիզիս)։
Լիզոգենիկ շրջափուլ։ Ֆագը վարակում է բակտերիան և ներմուծում իր ԴՆԹ–ն բակտերիայի քրոմոսոմի մեջ՝ թույլ տալով ֆագի ԴՆԹ–ին (այսուհետ՝ պրոֆագ) կրկնապատկվել և ժառանգվել բջջի սեփական ԴՆԹ–ի հետ միասին։

Արի ավելի մանրամասն ուսումնասիրենք այս շրջափուլերից յուրաքանչյուրը։

Բակտերիաֆագը վիրուս է, որը վարակում է բակտերիան

Բակտերիաֆագը կամ ավելի կարճ՝ ֆագը վիրուս է, որը վարակում է բակտերիան։ Վիրուսների այլ տեսակների պես բակտերիաֆագերը նույնպես տարբերվում են միմյանցից իրենց կառուցվածքով և ժառանգական նյութով։

Ֆագի գենոմը կարող է կազմված լինել ԴՆԹ–ից կամ ՌՆԹ–ից, որը կարող է կրել նվազագույնը 4, առավելագույնը՝ մի քանի հարյուր գեն $^{1, 2, 3}$ ‍։
Ֆագի կապսիդը կարող է ունենալ քսանանիստ, պարուրաձև և գլխիկ–պոչային կառուցվածք։ Գլխիկ–պոչային կառուցվածքը հատուկ է միայն ֆագերին և դրա ազգականներին (հայտնաբերված չէ կորիզավորներ վարակող վիրուսներում) $^{4, 5}$ ‍։
Քսանանիստ ֆագ, գլխիկ–պոչային ֆագ և պարուրաձև ֆագ։
Նկարը ձևափոխված է՝ "Corticovirus," "T7likevirus," և "Inovirus, ըստ՝ ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0։

Բակտերաֆագային վարակներ

Ինչպես այլ վիրուսները, այնպես էլ բակտերիաֆագերը վարակում են տեր բջիջը վերարտադրվելու նպատակով։ Այն քայլերի ամբողջությունը, որոնց արդյունքում տեղի է ունենում վարակման գործընթացը, կոչվում է ֆագի կենսափուլ։

Որոշ ֆագեր կարող են վերարտադրվել միայն լիտիկ փուլի միջոցով, որի արդյունքում տեր բջիջը պայթեցվում և սպանվում է։ Մյուսների կյանքի շրջափուլում էլ միմյանց հաջորդում են ինչպես լիտիկ, այնպես էլ լիզոգենիկ շրջափուլերը։ Վերջինիս դեպքում նրանք չեն սպանում տեր բջիջը (փոխարենը բջջի յուրաքանչյուր բաժանման ընթացքում կրկնապատկվում են տիրոջ ԴՆԹ–ի հետ միասին)։

Արի ավելի մանրամասն ուսումնասիրենք այս երկու շրջափուլերը։ Որպես օրինակ՝ մենք կդիտարկենք լամբդա (

λ

) ֆագը, որը վարակում է E. coli բակտերիան, և որի կենսափուլում միմյանց կարող են հաջորդել լիտիկ և լիզոգենիկ շրջափուլերը։

Լիտիկ շրջափուլ

Լիտիկ շրջափուլի ընթացքում ֆագը գործում է որպես տիպիկ վիրուս․ այն իր ենթակայության տակ է վերցնում տեր բջիջը և օգտագործում վերջինիս պաշարները՝ բազմաթիվ այլ ֆագեր առաջացնելու համար, հանգեցնելով բջջի լիզիսի (պայթյուն) և մահվան։

Նկարը ձևափոխված է՝ "Conjugation," ըստ՝ Adenosine (CC BY-SA 3.0)։ Ձևափոխված նկարի արտոնագիրն է՝ CC BY-SA 3.0 license. Based on similar diagram in Alberts et al. $^{6}$ ‍

Լիտիկ շրջափուլի փուլերն են․

Ամրացում։ Ֆագի «պոչիկի» սպիտակուցները միանում են բակտերիալ բջջի բջջաթաղանթի հատուկ ընկալչին (այս դեպքում՝ շաքարի փոխադրիչ)։
Թափանցում։ Ֆագն իր երկշղթա ԴՆԹ–ն ներմուծում է բակտերիայի ցիտոպլազմայի մեջ։
ԴՆԹ–ի կրկնապատկում և սպիտակուցի սինթեզ։ Ֆագի ԴՆԹ–ն կրկնապատկվում է, իսկ դրա գեները էքսպրեսիայի են ենթարկվում՝ սպիտակուցներ (օրինակ՝ կապսիդային սպիտակուցները) սինթեզելու համար։
Նոր ֆագի ձևավորումը: Կապսիդային սպիտակուցներից ձևավորվում են կապիսդները, որոնց մեջ էլ ներմուծվում է ԴՆԹ–ն՝ ձևավորելով բազմաթիվ նոր ֆագեր։
Լիզիս: Լիտիկ շրջափուլի ավարտին ֆագի գեների էքսպրեսիայի արդյունքում ստեղծվում են սպիտակուցներ, որոնք բակտերիայի բջջաթաղանթում և բջջապատում առաջացնում են ծակոտիներ։ Այդ ծակոտիների միջով ջուրը ներս է լցվում։ Արդյունքում բջիջը ուռչում և պայթում է ջրով լցված փուչիկի նման։

Բջջի պայթյունի կամ լիզիսի արդյունքում բակտերիայից արտազատվում են հարյուրավոր նոր ֆագեր, որոնք կարող են գտնել և վարակել այլ բջիջների։ Այս եղանակով լիտիկ վարակման մի քանի փուլերի արդյունքում ֆագը կարող է լայնորեն տարածվել բակտերիաների պոպուլյացիաներում չոր անտառում բռնկված հրդեհի նման։

Լիզոգենիկ շրջափուլ

Լիզոգենիկ շրջափուլը թույլ է տալի ֆագին վերարտադրվել՝ առանց տեր բջիջը սպանելու։ Որոշ ֆագեր կարող են ունենալ միայն լիտիկ շրջափուլ, մինչդեռ այն ֆագը, որը մենք ուսումնասիրում ենք, այն է՝ լամբդա (

λ

), կարող է անցում կատարել մի շրջափուլից մյուսը։

Շատ ֆագեր բացառապես լիտիկ են (երբեմն անվանում են վիրուլենտ ֆագեր), իսկ մյուսները ունակ են անցում կատարելու լիտիկ շրջափուլից լիզոգենիկի (երբեմն անվանում են չափավոր ֆագեր)։

Ամեն դեպքում, վիրուսաբանության մեջ ցանկացած կանոն ունի բացառություն, և սա վերաբերում է նաև ֆագի կենսափուլերին։ Պարուրաձև (երկար, ցուպիկաձև) ֆագերը դուրս են գալիս բջջից մի այնպիսի գործընթացի շնորհիվ, որի դեպքում լիզիսի չեն ենթարկում և չեն սպանում բջիջը (բջիջը ակտիվորեն ստեղծում է վիրուսային նոր հարուցիչներ)

^{7, 8}

։ Սա նման է լիտիկ կենսափուլին, սակայն իր մեջ լիզիս չի ներառում։

Լիզոգենիկ շրջափուլի առաջին երկու քայլերը (ամրացում և ԴՆԹ–ի ներմուծում) ընթանում են ճիշտ այնպես, ինչպես լիտիկ շրջափուլում։ Սակայն ԴՆԹ–ն, մտնելով բջիջ, անմիջապես չի կրկնապատկվում կամ սպիտակուցներ սինթեզում։ Փոխարենը միանում է բակտերիալ քրոմոսոմի որոշակի հատվածին, որի արդյունքում էլ ֆագի ԴՆԹ–ն ամբողջովին ներմուծվում է բակտերիայի քրոմոսոմի մեջ։

Ոչ բոլոր ֆագերն են լիզոգենիկ փուլի ընթացքում ներմուծում իրենց ԴՆԹ–ն տիրոջ գենոմի մեջ։ Դրա փոխարեն վիրուսներն իրենց գենոմը բջջում պահում են առանձին՝ օղակաձև ԴՆԹ–ի տեսքով

^{7}

Սակայն սա համարվում է լիզոգենիկ ցիկլ, քանի որ ֆագը չի ստիպում բջջին նոր վիրուսային մասնիկներ արտադրել և չի սպանում բջիջը։ Փոխարենը այն գործում է «լուռ» և պասիվ կերպով կրկնապատկվում է բջջի ԴՆԹ–ի հետ միասին։

Ֆագի ներմուծած ԴՆԹ–ն՝ պրոֆագը, ակտիվ չէ․ դրա գեները չեն ենթարկվում էքսպրեսիայի, և այն չի ստեղծում նոր ֆագեր։ Սակայն տեր բջջի յուրաքանչյուր բաժանման արդյունքում պրոֆագը կրկնապատկվում է տիրոջ հաշվին, դրա ԴՆԹ–ի նման։ Լիտիկ շրջափուլի համեմատ՝ լիզոգենիկը պակաս «աչքի զարնող է» (և պակաս «արյունալի»), սակայն, ի վերջո, այն պարզապես ֆագի վերարտադրման մեկ այլ եղանակ է։

Բարենպաստ պայմաններում պրոֆագը կարող է ակտիվանալ և անջատվել բակտերիալ քրոմոսոմից՝ հանգեցնելով լիտիկ շրջափուլի մնացյալ քայլերի իրականացման (ԴՆԹ-ի կրկնապատկում, սպիտակուցների սինթեզ, ֆագի ձևավորում և լիզիս)։

Կատարե՞լ, թե՞ չկատարել լիզիս

Բջջի վարակման դեպքում ֆագն ի՞նչ փուլ է «որոշում» օգտագործել՝ լիտի՞կ, թե՞ լիզոգենիկ։ Առաջին կարևոր գործոնը այն ֆագերի քանակն է, որոնք միաժամանակ վարակում են բակտերիան

^{9}

։ Վարակող ֆագերի մեծ թիվը պայմանավորում է լիզոգեն շրջափուլի իրականացման հավանականությունը։ Այս ռազմավարությունը կանխում է բակտերիաների բնաջնջումը, այսինքն՝ մեղմացնում է ֆագի հարձակումները։ Դա կատարվում է, երբ ֆագ–տեր հարաբերակցությունը մեծ է լինում։

Երբ մի քանի ֆագեր վարակում են ընդամենը մեկ բակերիա, սա ենթադրում է (վիճակագրորեն խոսելիս), որ ֆագերը կկանգնեն իրենց բակտերիալ տիրոջը ոչնչացնելու խնդրի առջև։

Ֆագերը, որոնք, ի պատասխան վարակման բազմազանությանը, անցնում են լիզոգենիկ փուլ, ավելի քիչ են հակված ոչնչացնելու բջիջը և որպես պոպուլյացիա վերանալու (որովհետև նրանք կարող են կանգնեցնել տիրոջ մահը, այն դեպքում, երբ նրանց քանակը չափազանց բարձր կլինի)։ Հատկանշական է, որ այն բջիջը, որն ունի պրոֆագ իր գենոմում, իմունիտետ է ձեռք բերում նույն տեսակի այլ ֆագի վարակման նկատմամբ։

Այսպիսով՝ այն փաստը, որ բազմակի ֆագեր, վարակելով միևնույն տեր բջիջը, ընտրում են լիզոգեն շրջափուլի ուղին, պայմանավորված է գենետիկորեն և ամրապնված է բնական ընտրությամբ։

Ի՞նչն է ստիպում պրոֆագին անջատվել քրոմոսոմից և սկսել լիտիկ շրջափուլը։ Փորձարաններում ԴՆԹ–ն վնասող գործոնները (օրինակ՝ ՈւՄ ճառագայթները և քիմիական նյութերը) պոպուլյացիայի պրոֆագերի մեծ մասին ստիպում են վերաակտիվանալ։ Այնուամենայնիվ, պոպուլյացիայում պրոֆագերի մի փոքր մասն ինքնաբար «կգնա լիտիկ շրջափուլ» նույնիսկ արտաքին ազդակների բացակայության դեպքում։

Հակաբիոտիկներն ի համեմատ բակտերիոֆագերի

Նախքան հակաբիոտիկների հայտնաբերումը զգալի հետազոտություններ էին իրականացվում բակտերիաֆագերի վրա՝ որպես մարդու բակտերիալ հիվանդությունները բուժելու արդյունավետ միջոց։ Բակտերիաֆագերը հարձակվում են միայն տեր բակտերիայի վրա, իսկ մարդու բջիջները չեն վարակում։ Այպիսով՝ այդ պատճառով դրանք արդյունավետ կարող են լինել մարդու բակտերիալ հիվանդությունները բուժելիս։

Հակաբիոտիկների հայտնաբերումից հետո ֆագերի ուսումնասիրության ոլորտում մինչ այդ գրանցված հաջողությունները չեղարկվեցին աշխարհի տարբեր հատվածներում (հատկապես անգլախոս երկրներում)։ Բայց և այնպես, ֆագերը մինչ օրս օգտագործվում են բուժական նպատակներով աշխարհի մի շարք երկրներում, ներառյալ՝ Ռուսաստանում, Վրաստանում և Լեհաստանում։

Վերջերս աճող հետաքրքրություն է նկատվում «ֆագերի մեթոդը» վերադարձնելու ուղղությամբ՝ հաշվի առնելով հակաբիոտիկների նկատմամբ դիմադրողականություն ունեցող բակտերիաների քանակի աճը։ Սակայն անհրաժեշտ են հավելյալ հետազոտություններ՝ պարզելու, թե որքանով են ֆագերը անվտանգ և արդյունավետ։ Բայց ո՜վ իմանա, հնարավոր է, որ մի օր բժիշկը պենիցիլինի փոխարեն ֆագեր նշանակի քեզ։

Այս հոդվածի արտոնագրի համարն է՝ CC BY-NC-SA 4.0։

Օգտագործված գրականություն

Bacteriophage. (2016, April 28). Retrieved May 9, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage.
Bacteriophage MS2. (2016, February 17). Retrieved May 9, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage_MS2.
Brüssow, H. and Hendrix, R. W. (2002). Phage genomics: Small is beautiful. Cell, 108(1), 13-16. http://dx.doi.org/10.1016/S0092-8674(01)00637-7.
Dimmock, N. J., Easton, A. J., and Leppard, K. N. (2016). Virus particles with head-tail morphology. In Introduction to modern virology (7th ed., p. 27). West Sussex, UK: John Wiley & Sons.
Pietilä, M. K., Laurinmäki, P., Russell, D. A., Ko, C.-C., Jacobs-Sera, D., Hendrix, R. W., Bamford, H., and Butcher, S. J. (2013). Structure of the archaeal head-tailed virus HSTV-1 completes the HK97 fold story. PNAS, 110(26), 10604-10609. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1303047110.
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P. (2002). Figure 5.81. The life cycle of bacteriophage lambda. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/figure/A893/?report=objectonly.
Holmes, R. K. and Jobling, M. G. (1996). Genome organization. In S. Barron (Ed.), Medical microbiology (4th ed.). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7908/#_A453_.
Rakonjac, J. (2012). Filamentous bacteriophages: Biology and applications. In eLS. Chichester, UK: John Wiley and Sons. http://dx.doi.org/10.1002/9780470015902.a0000777.
Maloy, S. (2003, November 12). The lysis-lysogeny decision by phage lambda. In Microbial genetics. Retrieved from http://www.sci.sdsu.edu/~smaloy/MicrobialGenetics/topics/phage/lysis-lysogeny.html.
Abedon, S. T. (n.d.). Lytic-lysogeny decision. In Bacteriophage ecology group. Retrieved from http://www.archaealviruses.org/terms/lytic_lysogeny_decision.html.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The lysogenic cycle. In Campbell biology (10th ed., p.398). San Francisco, CA: Pearson.
Phage therapy. (2016, May 4). Retrieved May 9, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Phage_therapy.
Abedon, S. T., Kuhl, S. J., Blasdel, B. G., and Kutter, E. M. (2011). Phage treatment of human infections. Bacteriophage, 1(2), 66-85. http://dx.doi.org/10.4161/bact.1.2.15845.

Հավելյալ հղումներ

Acheson, N. H. (2007). Bacteriophages. In Fundamentals of Molecular Virology. (1st ed., pp. 71-79). Hoboken, NJ: Wiley.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P. (2002). Conservative site-specific recombination can reversibly rearrange DNA. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26845/#_A890_.

Bacteriophage. (2016, April 28). Retrieved May 9, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteriophage.

Lambda phage. (2016, March 10). Retrieved May 9, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda_phage.

OpenStax College, Biology. (2015, December 29). Viruses. In OpenStax CNX. Retrieved from https://cnx.org/contents/5ewKI2TO@3/Viruses.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2003). Bacteriophage reproduce by a lytic cycle or a lysogenic cycle. In Life: the science of biology (7th ed., pp. 259-261). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Raven, P. H. and Johnson, G. B. (2002). Bacterial viruses exhibit two sorts of reproductive cycles. In Biology (6th ed., pp. 668-669). Boston, MA: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Replicative cycles of phages. In Campbell biology (10th ed., pp. 396-398). San Francisco, CA: Pearson.

Swiss Institute of Bioinformatics. (2016). Viral latency. In ViralZone. Retrieved from http://viralzone.expasy.org/all_by_protein/3970.html.

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Դասակարգել ըստ

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: