Bakteriophagen (Phagen) sind obligate intrazelluläre Viren, die spezifisch Bakterien infizieren. Sie wurden unabhängig voneinander von zwei Forschern entdeckt, Frederick William Twort1 an der Universität von London im Jahr 1915 und Félix d ‚ Herelle2, die den Befund bestätigten und den Begriff Bakteriophage im Jahr 1917 prägten und seitdem viel untersucht wurden.
Bakteriophagenstruktur
Phagen haben eine sehr einfache Struktur (Abbildung 1). Ihr genetisches Material ist in einem prismenförmigen Kopf enthalten, der von einem Proteinkapsid umgeben ist., Dies ist durch einen Hals-oder Kragenbereich mit der länglichen Scheide (manchmal Schwanz genannt) verbunden.
Die Hülle bildet einen Hohlschlauch, durch den die virale DNA/RNA in die Wirtszelle injiziert wird und von schützenden Hüllenproteinen umgeben ist. An der Unterseite der Hülle befindet sich die Grundplatte, an der die Schwanzfasern (normalerweise sechs) befestigt sind, die die Befestigung an der Wirtszelle erleichtern.
Abbildung 1. Beispielstruktur eines Bakteriophagen.
Um sich zu vermehren, muss Phage zuerst in die Wirtszelle eintreten., Sie binden mit ihren Schwanzfasern an spezifische Rezeptoren auf der Bakterienzelloberfläche (Adsorption) und erzeugen ein Loch, ein Prozess, der zusammen mit der Anhaftung von der Basisplatte3 koordiniert wird. Ein starres Röhrchen wird aus der Hülle herausgetrieben und durchbohrt ein Loch in der Bakterienzellmembran, durch das sie ihr genetisches Material (DNA oder RNA, doppel-oder einzelsträngig) injizieren. Sie können dann die zelluläre Maschinerie der Wirtszelle für ihre eigene Replikation entführen, wenn die Umgebungsbedingungen in einem Prozess, der als lytischer Zyklus bezeichnet wird, ungünstig sind., Alternativ können sie innerhalb der Wirtszelle in einen Ruhezustand eintreten, der als lysogener Zyklus bezeichnet wird, wenn die Bedingungen günstig sind.
Lytischer Zyklus
Im lytischen Zyklus (Abbildung 2), der manchmal als virulente Infektion bezeichnet wird, töten die infizierenden Phagen letztendlich die Wirtszelle ab, um viele ihrer eigenen Nachkommen zu produzieren. Unmittelbar nach der Injektion in die Wirtszelle synthetisiert das Phagen-Genom frühe Proteine, die die Wirts-DNA abbauen, so dass der Phage die Kontrolle über die zelluläre Maschinerie übernehmen kann., Der Phage verwendet dann die Wirtszelle, um die verbleibenden Proteine zu synthetisieren, die zum Aufbau neuer Phagenpartikel erforderlich sind. Die Köpfe und Hüllen werden separat zusammengebaut, das neue genetische Material in den Kopf gepackt und neue Tochterphagenpartikel konstruiert. Während dieses Prozesses werden die Wirtszellen allmählich durch Phagen-Enzyme geschwächt und platzen schließlich, wobei durchschnittlich 100-200 neue Phagen-Nachkommen in die Umgebung freigesetzt werden.
Abbildung 2. Darstellung der Stadien des Bakteriophagen-lytischen Zyklus.
Beobachten Sie den lytischen Zyklus in Aktion hier.,
Lysogener Zyklus
Der lysogene Zyklus (Abbildung 3), der manchmal als gemäßigte oder nicht virulente Infektion bezeichnet wird, tötet die Wirtszelle nicht ab, sondern verwendet sie als Zufluchtsort, wo sie in einem Ruhezustand existiert. Nach der Injektion der Phagen-DNA in die Wirtszelle integriert sie sich mit Hilfe von Phagen-kodierten Integrasen in das Wirtsgenom, wo sie dann als Prophage bezeichnet wird., Das Prophagengenom wird dann zusammen mit dem Wirtsgenom passiv repliziert, da sich die Wirtszelle so lange teilt, wie sie dort verbleibt und nicht die Proteine bildet, die zur Erzeugung von Nachkommen erforderlich sind. Da das Phagen-Genom im Allgemeinen vergleichsweise klein ist, sind die Bakterienwirte durch diesen Prozess normalerweise relativ unversehrt.
Abbildung 3. Darstellung der Stadien des Bakteriophagen-lysogenen Zyklus.,
Übergang von lysogen zu lytisch
Wenn ein Bakterium, das Prophage enthält, Stressoren wie UV-Licht, nährstoffarmen Bedingungen oder Chemikalien wie Mitomycin C ausgesetzt ist, kann prophage sich spontan aus dem Wirtsgenom extrahieren und in den lytischen Zyklus in einem Prozess namens Induktion eintreten.
Dieser Prozess ist jedoch nicht perfekt und Prophage kann manchmal Teile ihrer DNA zurücklassen oder Teile der Wirts-DNA mitnehmen, wenn sie wieder zirkulieren., Wenn sie dann eine neue Wirtszelle infizieren, können sie Bakteriengene in einem als Transduktion bezeichneten Prozess von einem Stamm zum anderen transportieren. Dies ist eine Methode, mit der sich Antibiotikaresistenzgene, Toxin-und Superantigen-kodierende Gene und andere Virulenzmerkmale durch eine Bakterienpopulation ausbreiten können.
Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass der Übergang zwischen lytischer und lysogener Infektion auch von der Fülle an Phagen in einem Gebiet abhängt, da sie in der Lage sind, kleine Peptide in einem Prozess zu produzieren und zu empfinden, der Quorum sensing4 ähnelt.,
Bakterielle Immunität gegen Phagen-Infektion
Nicht alle Bakterien sind hilflos gegen Phagen-Attacken und besitzen ein „Immunsystem“, das es ihnen ermöglicht, sich zu wehren. CRISPR-Cas, das jetzt gleichbedeutend mit genetischer Modifikation ist, wurde zuerst von Francisco Mojica5 als bakterielles „adaptives Immunsystem“ und 2005 von einer Gruppe der Université Paris-Sud6 unabhängig vorgeschlagen. Der CRISPR Locus ist ein Array von kurzen wiederholten Sequenzen, die durch Abstandshalter mit eindeutigen Sequenzen getrennt sind. Diese spacer-Sequenzen gefunden wurden, haben Homologie von viralen und plasmid-DNA, einschließlich Phagen., Wenn sie von einem zuvor nicht gezählten Phagen angegriffen werden, werden auf einer Seite des CRISPR neue Abstandshalter hinzugefügt, was den CRISPR zu einer chronologischen Aufzeichnung des Phagen macht, auf den die Zelle und ihre Vorfahren gestoßen sind. Als Reaktion auf die Phagen-Invasion werden die CRISPR-Sequenzen transkribiert und in Partnerschaft mit Cas-Proteinen die Phagen-Sequenzen, die homolog zu den Spacer-Sequenzen sind, gezielt und zerstört.
Phage als genetische und molekularbiologische Werkzeuge
Der ursprünglich aus Escherichia coli isolierte Lambda-Phage ist einer der am besten untersuchten Phagen und bildete die Grundlage vieler genetischer Werkzeuge., Es wurde sogar gesagt, dass der Einsatz von Phagen als Werkzeuge letztendlich zur Entwicklung der Molekularbiologie als Disziplin geführt hat7. In den 1950er Jahren wurde die Fähigkeit des Phagen, sich mit Wirts-DNA zu rekombinieren, zuerst ausgenutzt, um die Genome von Salmonellenarten zu manipulieren, und so wurde der Prozess der Transduktion geboren8. Seitdem wurde es als Vehikel verwendet, um genetisches Material zwischen vielen Organismen zu bewegen, einschließlich Pilzgenmanipulationen9 und sogar menschliche Gene. Es war dank des bescheidenen Phagen, dass Humaninsulin zuerst sicher und billig produziert wurde., Es hat auch Anwendungen im Hochdurchsatz-Screening von Klonen, in der Nanomaterialentwicklung10, in der antibakteriellen Behandlung von Lebensmitteln, als Diagnosewerkzeug und in Arzneimittelentdeckungs-und-abgabesystemen11 eröffnet.
Die Phage ϕx174 wurde 1977 zu einem unwissenden Pionier, als sie als erster Organismus dank Fred Sanger und Kollegen ihre gesamte Nukleotidsequenz bestimmt12.
Phagen-Therapie
Vor der Entdeckung von Antibiotika durch Alexander Fleming im Jahr 1928 wurde Phagen als Methode zur Behandlung bakterieller Infektionen untersucht., In der postantibiotischen Ära bedeutete die bequeme Breitspektrum-Aktivität der Antibiotikabehandlung, dass in den meisten Fällen die Forschung der Organisation zur Phagentherapie aufgegeben wurde. In vielen ehemaligen Sowjetstaaten, in denen es an westlichen Antibiotika mangelte, wurde die Erforschung von Phagentherapien jedoch durch die Notwendigkeit fortgesetzt. Mit den zunehmenden globalen Problemen der Antibiotikaresistenz hat es in den letzten Jahren ein Wiederaufleben im Bereich der Phagentherapie gegeben., Während Phagen Bakterien infizieren und zerstören können und erfolgreich zur Behandlung lebensbedrohlicher Infektion13 eingesetzt wurden, bedeutet ihre Spezies und sogar Stammspezifität und das Potenzial für eine bereits vorhandene Immunität einiger Bakterien, dass eine Phagenbehandlung derzeit kein trivialer Prozess ist und auf die individuelle Infektion zugeschnitten sein muss. Dies macht es teuer und langwierig. Folglich ist es derzeit ein letzter Ausweg und es ist noch viel Arbeit in diesem Bereich erforderlich.,
Der Phagen-Stammbaum
Mit der zunehmenden Verfügbarkeit und Erschwinglichkeit der Nukleotidsequenzierung ist die Anzahl der Phagen-Genome, die Datenbanken in den letzten zwei Jahrzehnten vorgelegt wurden14, explodiert.
Phagen werden vom Internationalen Komitee für Taxonomie von Viren (ICTV) klassifiziert, ab dem Update 2017 gibt es 19 Phagenfamilien, die Bakterien und Archaeen infizieren (Tabelle 1) Da jedoch mehr Proben aus entlegeneren Gebieten sequenziert werden, wird dies wahrscheinlich nur in Zukunft wachsen.,
Scrollen Sie für mobile Benutzer nach links und rechts, um die folgenden Tabellendaten anzuzeigen.,
Table 1., ICTV taxonomische Klassifikation von Bakteriophagen, die Bakterien und Archaeen infizieren.