Фаг лямбда

Фаг ля́мбда, фаг λ (Escherichia virus Lambda), бактериофаг рода Lambdavirus семейства Siphoviridae. Был открыт в качестве профага Эстер Ледерберг в 1950 г. во время изучения генома кишечной палочки. Является вирусом, который заражает кишечную палочку. Жизненный цикл фага лямбда может протекать двумя способами: литическим и лизогенным.

Структура вируса и строение генома

У икосаидрического капсида фага лямбда диаметром 55–64 нм 20 граней. Он формируются из 300–600 капсомеров по 37,5 кДа. Капсомеры расположены кластерами из пентамеров и гексамеров, которые формируются из декоративного белка D и мажорного белка E. Головка фага соединена с несокращающимся хвостом длиной 150–180 мкм с помощью белков воротничка W и FII. Хвост состоит из 35 уложенных друг на друга белков V, которые имеют форму диска. Сборка белков V начинается со стороны осевой фибриллы и заканчивается терминальным белком U. Кроме осевой фибриллы (белки J и H), которая распознаёт рецепторы клетки-хозяина, на конце хвоста находится 4 боковых фибриллы и два белка основания хвоста M и L.

Головка фага содержит геномную двухцепочечную линейную ДНК длиной 46 500 пар нуклеотидов. Оба 5'-конца состоят из 12 оснований, которые выходят за пределы комплементарной последовательности с 3'-конца. Это приводит к образованию одноцепочечной комплементарной области, обычно называемой липким концом.

Сцепленные липкие концы обеих цепей комплементарно связываются и могут легко циркулировать. Циркуляризация происходит после проникновения фаговой ДНК в клетку кишечной палочки, где бактериальный фермент – ДНК-лигаза кишечной палочки – превращает молекулу в ковалентно связанное кольцо. В результате образуется кольцевая ДНК с двумя одноцепочечными разрывами. Двухцепочечная область, образующаяся после спаривания оснований комплементарных нуклеотидов, обозначается как COS.

Гены фага лямбда локализованы в соответствии с их функциями. Например, гены структурных белков головки и хвоста, репликации и рекомбинации, расположены в отдельном кластере. Эти гены также можно сгруппировать в 3 основных оперона: правый оперон, левый оперон и оперон ответа на иммунитет хозяина. Правый оперон участвует в вегетативной функции фага, т. е. синтезе головки (гены A, W, B, C, D, E), синтезе хвоста (F, Z, U, V, G, H, M, L, K, I, J) и репликации ДНК, характерной для литического цикла. Левый оперон связан с интеграционными и рекомбинационными событиями лизогнического цикла. Ген xis кодирует белок, вырезающий ДНК фага из бактериальной хромосомы, а белок, кодируемый int, участвует в интеграции ДНК фага в бактериальную хромосому.

Продукты оперона ответа на иммунную систему взаимодействуют с ДНК, от этого зависит, будет ли фаг инициировать литический цикл или лизогенный цикл. Они образуют «бинарный переключатель» с двумя генами при взаимоисключающей экспрессии, это обнаружила Барбара Дж. Мейер. Система генов-репрессоров лямбда состоит из гена cI и гена cro. Жизненный цикл фагов лямбда контролируется белками cI и cro. Ламбда-фаг останется в лизогенном состоянии, если преобладают белки cI, но перейдёт в литический цикл, если преобладают белки cro. В отсутствие белков cI может транскрибироваться ген cro, а в их присутствии может транскрибироваться только ген cI. Исключением является высокая концентрация белка cI, при которой репрессируется транскрипция обоих генов. При инфицировании фага запускается механизм выбора пути. Лизогенное состояние очень стабильно, но оно может переключаться на литический путь в процессе индукции профага. Это происходит, когда образуются одно- и двухцепочечные разрывы ДНК при контакте с УФ-светом, рентгеновскими лучами или митомицином, и в клетке запускаются механизмы начала апоптоза. Также в клетках, богатых питательными веществами, высока активность протеазы, которая расщепляет cI, что приводит к литическому образу жизни. В клетках с ограниченным количеством питательных веществ активность протеазы низкая, что делает cI стабильным и в результате приводит к лизогенному образу жизни.

Жизненный цикл вируса

Фаг адсорбируется на клетку с помощью белка осевой фибриллы J. Он взаимодействует с рецептором lamB, молекулой порина, которая является частью мальтозного оперона клетки-хозяина. ДНК фага вводится через хвост, полую трубку, по которой она проходит в клетку сквозь наружную мембрану.

Схема проникновения фага лямбда (Escherichia virus Lambda) через мембраны кишечной палочки (E. coli).Схема проникновения фага лямбда (Escherichia virus Lambda) через мембраны кишечной палочки (E. coli).В литическом цикле в течение первых нескольких циклов репликации геном лямбда подвергается θ-репликации, а после – по типу катящегося кольца. При этом высвобождаются не отдельные копии генома фага, а одна длинная молекула с множеством копий генома – конкатемер. Эти конкатемеры расщепляются по своим cos-сайтам при упаковке. Упаковка не может происходить из кольцевой ДНК фага – только из конкатомерной ДНК. ДНК фага упаковывается в капсид, образованный из белков, синтезированных клеткой – хозяином по генетической информации вируса. Упаковка нуклеиновой кислоты в головку и соединение её с хвостом приводит к образованию нескольких инфекционных фаговых частиц. Литический цикл заканчивается лизисом клеток кишечной палочки и высвобождением фаговых частиц. Литический цикл является вирулентным.

При лизогенном жизненном цикле ДНК фага интегрируется в бактериальную хромосому и становится частью ДНК хозяина в качестве профага. Она реплицируется вместе с бактериальной хромосомой и передаётся по наследству потомству. Профаг невирулентен и называется умеренным фагом. Бактерии, содержащие профаги, называются лизогенными бактериями, а стадии профага вирусов – лизогенными вирусами.