Способность к интеграции с хромосомой хозяина

лизогенная бактерия профаг хромосома конверсия

Интеграция и индукция фага λ (лямбда). Изучение фага лямбда (λ), лизогенного для Escherichia coli K12, позволило выяснить, каким образом профаг связан с бактериальной хромосомой. Лизогенизация бактерий этим фагом может служить примером жизненного цикла умеренного бактериофага. Длина хромосомы фага лямбда оставляет всего 2% длины бактериальной хромосомы [1].

В свободных фаговых частицах ДНК присутствует в виде линейной (не кольцевой) двойной спирали (рис. 4.14). Каждая из цепей на одном конце выступает за пределы дуплекса на 12 нуклеотидов. Эти два одноцепочечных конца комплементарны друг другу; путем спаривания оснований они могут соединяться друг с другом, поэтому их называют «липкими» концами. Если поместить такие молекулы ДНК in vitro в раствор, то благодаря взаимодействию между комплементарными основаниями одноцепочечных концов наступает равновесие между линейными и кольцевыми ДНК. Такое же замыкание в кольцо происходит после того, как фаг лямбда инфицирует клетку. При этом оба разрыва между концами цепей закрываются полинуклеотидлигазой. Функция этого бактериального фермента состоит в том, чтобы устранять разрывы в отдельных цепях двойных спиралей ДНК путем связывания нуклеотидов. Таким образом, для замыкания линейной ДНК фага в кольцо никакие фаговые ферменты не нужны [7].

В лизогенных клетках профаг прочно связан с хромосомой клетки-хозяина. При конъюгации клеток профаг вместе с хромосомой хозяина переносится из клетки-донора в клетку-реципиент. Генетические эксперименты показывают, что фаг лямбда присоединен к хромосоме хозяина в совершенно определенном месте (между галактозным опероном и биотиновым локусом). Вначале предполагали, что ДНК бактериофага только прикрепляется к хромосоме бактерии в этом участке. Однако в результате составления генетических карт фага, а также из опытов по рекомбинации стало ясно, что фаговая ДНК при лизогенизации не просто прикрепляется к бактериальной ДНК, а включается в нее [3].

Включение (интеграция) ДНК профага в хромосому клетки-хозяина происходит, очевидно, в результате разрыва и перекрестного воссоединения. За эту реакцию ответствен фермент, названный лямбда-интегразой. Он узнает две разные, негомологичные последовательности нуклеотидов - одну в хромосомной ДНК и одну в ДНК фага - и тесно сближает обе двойные спирали друг с другом; затем последние разрываются и снова соединяются крест-накрест. Отдельные этапы этой специфической рекомбинации показаны на рис. 4.14.

В интегрированном состоянии фаговая ДНК реплицируется вместе с бактериальной и подвержена тем же регуляторным воздействиям, что и удвоение бактериальных хромосом. Информация, содержащаяся в фаговой ДНК, в это время не проявляется [8]. Только в результате перехода профага в вегетативное состояние восстанавливается автономия фаговой ДНК и начинается размножение фага. Этот обратный процесс может произойти спонтанно или в результате индукции (например, под действием ультрафиолетового облучения). Исключение фаговой ДНК из бактериальной хромосомы происходит, вероятно, путем обращения процессов, приведших к ее включению, и осуществляется очень точно: более 99% фаговых частиц, освобождающихся из лизогенных клеток, идентичны с исходным (инфицирующим) фагом. Это означает, что фаговая ДНК при ее выключении выщепляется точно в том же месте, где происходила интеграция. Только в редких случаях (одном из 100 000) выключение ДНК фага происходит аномально [9].

Как только профаг в результате выключения перешел в вегетативное состояние, он опять становится автономным и может размножаться в бактериальной клетке как вирулентный фаг. Выключение, таким образом, приводит к лизису бактерии и высвобождению фага лямбда.

Двухцепочечная ДНК вируса может встроиться в хромосому клетки-хозяина с помощью фермента интегразы. Такой процесс встраивания в хромосомную ДНК называют интеграцией. Вирусный геном в форме интегрированной ДНК, синтезированной по проникшей в клетку вирусной РНК с помощью обратной транскриптазы, называется провирусом . Провирус становится частью генетического материала клетки, реплицируется вместе с клеточной ДНК и при делении передается дочерним клеткам. В скрытой (латентной) форме провирус может пребывать бесконечно долгое время, переходя от родителей к потомкам через сперматозоид или яйцеклетку. Способность вирусных геномов к интеграции с геномом клетки была предсказана замечательным исследователем-вирусологом Львом Александровичем Зильбером (1894-1966) [6].