Фазы взаимодействия фага с бактериальной клеткой, внутриклеточное развитие и репродукция фага

 

Наиболее часто процесс взаимодействия фага с клеткой протекает по типу продуктивной инфекции и обычно заканчивается лизисом клеток бактериальной культуры. Но возможна и абортивная инфекция, при которой фаговое потомство не образуется, а бактериальные клетки сохраняют свою жизнедеятельность. Наконец, нередко наблюдается лизогенизация бактериальных клеток инфицирующим фагом, в результате чего возникает состояние лизогении (вирогении), характеризующееся интеграцией генома фага в геном бактериальной клетки.

В зависимости от типа взаимодействия различают вирулент­ные и умеренные бактериофаги. Вирулентные бактериофаги взаимодействуют с бактерией по продуктивному типу. Умеренные бактериофаги заражают бактерий-хозяев, но не размножаются в них автономно и не вызывают лизиса - интегративный тип взаимодействия. При интегративном типе – геном фага встраивается в хромосому бактерии и сосуществует с ней.

Процесс взаимодействия вирулентного фага с бактериальной клеткой состоит из последовательной смены отдельных стадий. Стадии продуктивной инфекции:

I стадия – адсорбция. На клеточной стенке бактерий имеются рецепторы, на которых адсорбируются соответствующие фаги. Рецепторы различаются по химическому составу. Рецепторы для одних фагов находятся в липопротеиновом слое, для других – в липополисахаридном. Для ряда фагов рецепторы находятся на отростках клеток – жгутиках или пилях. Фагорезистентность некоторых бактерий определяется, вероятно, отсутствием у них соответствующих рецепторов в результате мутаций. При избытке бактериофага на одной клетке может адсорбироваться 200-300 фаговых частиц, хотя для заражения достаточно и одной. Фаг может адсорбироваться и на изолированных клеточных стенках, в то время как на протопластах, полностью лишенных клеточной стенки, адсорбции не происходит.

Литический цикл инфекции начинается с того, что частица бактериофага случайно сталкивается с клеткой-хозяином. Если у вириона имеется участок адсорбции, химически комплементарный специфическому рецепторному участку на поверхности бактериальной клетки, то происходит необратимая адсорбция. На процесс адсорбции фага большое влияние оказывают условия среды: солевой состав, рН, температура, а также наличие в среде строго определенных веществ – кофакторов адсорбции, например, триптофана для адсорбции фагов Т4, Т6. Некоторые фаги в качестве рецепторов используют половые пили бактерий.

II стадия – пенетрация (проникновение). Фаги, имеющие сократительный механизм в хвостовой части, такие, как Т3, подобно шприцу инъецируют свою ДНК в периплазматическое пространство между клеточной стенкой и клеточной мембраной. Затем ДНК проникает в клетку через мембрану с затратой энергии хозяина.

Некоторые мелкие кубические фаги, способные адсорбироваться на половых пилях, вводят свою нуклеиновую кислоту через канал этих пилей.

Известен механизм пенетрации и других фагов. Нитевидные ДНК- содержащие фаги проникают в клетку по другому механизму. В этом случае через клеточную стенку проникает весь вирион. Белок, преобладающий в оболочке фаговой частицы, остается на клеточной мембране (ЦПМ), а фаговая ДНК, вместе с минорным оболочечным белком (А-белком) проникает в цитоплазму.

Установление фагового генома:

Однонитевая ДНК – к репликативному аппарату для синтеза комплементарной ей нити и образования репликативной формы; далее – аналогично двунитевой

Двунитевая ДНК – к транскрипционному аппарату для синтеза мРНК и последующей трансляции вирусспецифических белков (ферментов и структурных)

РНК-геном – к трансляционному аппарату для синтеза вирусспецифических белков (ферментов репликации и структурных).

III стадия – биосинтез фаговой НК и белков капсида. В первые минуты после проникновения НК внутрь бактериальной клетки в течение латентного периода фаговые частицы обнаружить не удается. У E. coli этот период продолжается в среднем 25 мин, в искусственно разрушенных бактериальных клетках также не удается обнаружить фага.

Инъецированная ДНК фага, прежде всего, вызывает полную пере­стройку метаболизма зараженной клетки. Сразу же прекращается синтез бак­териальной ДНК, через несколько минут прекращается также синтез бакте­риальной РНК и бактериальных белков, хотя общее количество белка про­должает непрерывно возрастать. Синтез ДНК возобновляется, даже с повы­шенной скоростью.

Сначала фаговая ДНК образуется за счет распавшейся бактериальной. Эту перестройку и последующее новообразование фаговой ДНК можно проследить по увеличению количества 5-гидроксиметилцито­зина – основания, специфичного для ДНК Т-четных фагов.

Необходимые для синтеза фаговой ДНК ферменты образуются в клетке уже вскоре после заражения; это так называемые «ранние» белки. К «поздним» белкам относятся белки оболочки и фаговые лизоцимы, или эндолизины; они образуются лишь во второй половине латентного периода.

Репликация фаговой ДНК протекает в соответствии с общим механизмом репликации, однако детали этого механизма варьируют в зависимости от того, реплицируется ли фаговая ДНК в виде кольцевой (симметричный и асимметричный способы) или в виде линейной молекулы. В течение очень короткого периода (минуты) в клетке синтезируется несколько сотен новых фаговых хромосом, которые по мере образования беспорядочно обмениваются генетическим материалом.