bakteriofag (phage) är obligate intracellulära virus som specifikt infekterar bakterier. De upptäcktes självständigt av två forskare, Frederick William Twort1 vid University of London 1915, och Félix d’Herelle2 som bekräftade att hitta och myntade begreppet bacteriophage 1917 och har studerats flitigt sedan dess.
Bakteriofagstruktur
Phage har en mycket enkel struktur (Figur 1). Deras genetiska material Finns i ett prismaformat Huvud, omgivet av en proteinkapsid., Detta är kopplat till den långsträckta manteln (ibland kallad svansen) av en nacke eller krageregion.
manteln bildar ett ihåligt rör genom vilket viralt DNA / RNA injiceras i värdcellen och omges av skyddande mantelproteiner. På botten av manteln är basplattan till vilken svansfibrerna (normalt sex) som underlättar fastsättning på värdcellen är fästa.
Figur 1. Exempel på bakteriofagens struktur.
för att reproducera måste phage först komma in i värdcellen., De binder till specifika receptorer på bakteriecellsytan med sina svansfibrer (adsorption) och skapar ett hål, en process som tillsammans med fastsättning samordnas av basplattan3. Ett styvt rör drivs ut ur manteln och punkterar ett hål i bakteriecellmembranet genom vilket de injicerar sitt genetiska material (DNA eller RNA, dubbel eller enkelsträngad). De kan sedan kapa värdcellens cellulära maskiner för sin egen replikering om omgivande förhållanden är ogynnsamma i en process som kallas den lytiska cykeln., Alternativt kan de komma in i ett vilande tillstånd, känt som lysogencykeln, inom värdcellen om förhållandena är gynnsamma.
lytisk cykel
i lytcykeln (Figur 2), ibland kallad virulent infektion, dödar den infekterande Fagen i slutändan värdcellen för att producera många av sin egen avkomma. Omedelbart efter injektion i värdcellen syntetiserar faggenomet tidiga proteiner som bryter ner värd-DNA, vilket gör att fagen kan ta kontroll över cellmaskineriet., Fagen använder sedan värdcellen för att syntetisera de återstående proteinerna som krävs för att bygga nya fagpartiklar. Huvuden och mantlar monteras separat, det nya genetiska materialet packas in i huvudet och nya dotter fagpartiklar konstruerade. Under denna process blir värdcellerna gradvis försvagade av fagenzymer och spricker så småningom och släpper i genomsnitt 100-200 nya FAG-avkommor i den omgivande miljön.
Figur 2. Skildring av stadierna av bakteriofaglytisk cykel.
Titta på lytisk cykel i aktion här.,
lysogen cykel
den lysogena cykeln (Figur 3), ibland kallad tempererad eller icke-virulent infektion, dödar inte värdcellen, istället använder den som en tillflykt där den finns i vilande tillstånd. Efter injektionen av fag-DNA i värdcellen integrerar den sig i värdgenomet, med hjälp av fag-kodade integraser, där det sedan kallas en profetia., Profaggenomet replikeras sedan passivt tillsammans med värdgenomet eftersom värdcellen delar upp så länge den förblir där och inte bildar de proteiner som krävs för att producera avkomma. Eftersom faggenomet i allmänhet är relativt litet är bakterievärdarna normalt relativt oskadda av denna process.
Figur 3. Skildring av stadierna av bakteriofag lysogen cykel.,
övergång från lysogen till lytisk
om en bakterie som innehåller profag utsätts för stressorer, såsom UV-ljus, låga näringsförhållanden eller kemikalier som mitomycin C, kan profag spontant extrahera sig från värdgenomet och gå in i lytcykeln i en process som kallas induktion.
denna process är dock inte perfekt och profetera kan ibland lämna delar av deras DNA bakom eller ta delar av värd-DNA med dem när de återcirkulariserar., Om de sedan infekterar en ny värdcell, kan de transportera bakteriegener från en stam till en annan i en process som kallas transduktion. Detta är en metod genom vilken antibiotikaresistens gener, toxin och superantigen-kodande gener och andra virulensegenskaper kan spridas genom en bakteriell population.
det senaste arbetet har visat att övergången mellan lytisk och lysogen infektion också är beroende av överflöd av fag i ett område eftersom de kan producera och känna av små peptider i en process som liknar kvorum sensing4.,
bakteriell immunitet mot faginfektion
inte alla bakterier är hjälplösa mot fagattack, som har ett ”immunförsvar” som gör det möjligt för dem att slå tillbaka. CRISPR-Cas, som nu är synonymt med genetisk modifiering, först föreslogs som en bakterie ”adaptiva immunsystemet” av Francisco Mojica5 och oberoende av en grupp från Université Paris-Sud6 2005. CRISPR locus är en rad korta upprepade sekvenser åtskilda av distanser med unika sekvenser. Dessa spacersekvenser befanns ha homologi till virus-och plasmid-DNA, inklusive phage., När de attackeras av en tidigare orädd FAG, läggs nya distanser på ena sidan av CRISPR, vilket gör CRISPR en kronologisk rekord av fag cellen och dess förfäder har stött på. Som svar på faginvasionen transkriberas CRISPR-sekvenserna och, i samarbete med Cas-proteiner, target och förstör fagsekvenserna som är homologa mot distanssekvenserna.
Phage as genetic and molecular biology tools
Lambda phage, ursprungligen isolerad från Escherichia coli, är en av de bäst studerade FAG och bildade grunden för många genetiska verktyg., Det har till och med sagts att användningen av fag som verktyg i slutändan ledde till utvecklingen av molekylärbiologi som lärjung7. På 1950-talet exploaterades Fagens förmåga att rekombinera med värd-DNA först för att manipulera genomen av Salmonella-arter och så föddes omvandlingsprocessen8. Sedan dess har det använts som ett fordon för att flytta genetiskt material mellan många organismer, inklusive svampgenmanipulationer9 och till och med mänskliga gener. Det var tack vare den ödmjuka Fagen att humant insulin först producerades säkert och billigt., Det har också öppnat applikationer i hög genomströmning screening av kloner, nanomaterialutveckling10, antibakteriell behandling för livsmedelsprodukter, som ett diagnostiskt verktyg och läkemedelsupptäckt och leveranssystem11.
the phagex174 blev en ovetande pionjär 1977 när det var den första organismen att ha hela sin nukleotidsekvens bestämd tack vare Fred Sanger och colleagues12.
Phage terapi
innan upptäckten av antibiotika av Alexander Fleming 1928 undersöktes phage som en metod för behandling av bakterieinfektioner., I den post-antibiotiska eran innebar den praktiska bredspektrumaktiviteten av antibiotikabehandling att i de flesta organisationens forskning om fagterapi övergavs. Men i många av de tidigare sovjetiska nationerna där det saknades västerländska antibiotika fortsatte forskningen om fagterapier genom nödvändighet. Med de ökande globala problemen med antibiotikaresistens har det skett en återkomst inom fagterapiområdet de senaste åren., Medan FAG kan infektera och förstöra bakterier och har framgångsrikt använts för att behandla livshotande infektion13, deras art och till och med stamspecificitet och potential för befintlig immunitet hos vissa bakterier innebär att inriktning på en fagbehandling för närvarande inte är en trivial process och måste anpassas till den enskilda infektionen. Detta gör det dyrt och lång. Följaktligen är det för närvarande en sista utväg och det krävs fortfarande mycket arbete på detta område.,
fagfamiljen
med ökande tillgänglighet och överkomliga priser för nukleotidsekvensering har det skett en explosion i antalet faggenom som lämnats in till databaser under de senaste två decennierna14 .
Phage klassificeras av Internationella kommittén för taxonomi av virus (ICTV), från och med deras 2017 uppdatering, det finns 19 familjer av phage som infekterar bakterier och archaea (Tabell 1) men eftersom fler prover från mer avlägsna områden sekvenseras detta är endast sannolikt att växa i framtiden.,
för mobila användare bläddrar du åt vänster och höger för att visa tabelldata nedan.,
Table 1., ICTV taxonomisk klassificering av bakteriofag som infekterar bakterier och archaea.