Бактериофаги

БАКТЕРИОФАГИ, фаги (от бактерии и греческого φ?γος - пожиратель), вирусы бактерий. Открыты независимо английским вирусологом Ф. Туортом (1915) и канадским бактериологом Ф. Д’Эррелем (1917). Являясь облигатными паразитами, бактериофаги развиваются только в живых, активно метаболизирующих бактериях. Активная форма бактериофагов, так называемый вегетативный фаг, представляет собой его реплицирующийся и экспрессирующийся внутри клетки генетический материал. Бактериофаги обнаружены во многих (но не во всех) исследовавшихся с этой целью видах бактерий. Как правило, каждый бактериофаг развивается лишь в бактериях одного вида, хотя встречаются так называемые поливалентные бактериофаги, которые паразитируют в бактериях разных видов.

Фаговая частица состоит из молекулы нуклеиновой кислоты (геном бактериофага), заключённой в капсид - белковую оболочку, которая сохраняет геном вне клетки. Бактериофаги разнообразны по форме. Некоторые из них имеют вид многогранников с диаметром капсида 20-30 нм (φХ174, F2, R17, MS2) или нитей длиной до 800 нм (fd, М13). Более сложно устроенные бактериофаги (Т-фаги, фаг лямбда и др.) имеют икосаэдрическую головку (диаметр около 100 нм) и отросток («хвост»), с помощью которого осуществляется контакт с клеткой.

Бактериофаги классифицируют, исходя из морфологических особенностей частиц (форма головки, наличие хвоста, его размер и способность к сокращению) и сходства геномов и контролируемых ими белковых продуктов. Геномы разных бактериофагов включают от нескольких генов у мелких бактериофагов до нескольких сотен генов у гигантских вирулентных бактериофагов. У большинства бактериофагов геном представлен двухцепочечной ДНК. Описаны также бактериофаги с одноцепочечной ДНК (М13, S13, φХ174) или РНК (MS2, Qβ). Молекулы нуклеиновых кислот могут иметь разные размеры и находиться в линейной, фрагментированной или кольцевой форме. У некоторых бактериофагов (например, фаг лямбда) геном имеет линейную форму, но после попадания в клетку замыкается в кольцо.

Бактериофаги прикрепляются к специфическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Проникновение фагового генома в клетку сопровождается отделением нуклеиновой кислоты от большей части капсидных белков, которые остаются снаружи. С этого момента до появления первой зрелой фаговой частицы происходит строго упорядоченная во времени эскпрессия разных генов бактериофагов - ранних и поздних. Группа ранних генов транскрибируется ферментом РНК-полимеразой: либо бактериальной, либо кодируемой фагом (в последнем случае её молекулы вводятся вместе с геномом); они контролируют репликацию генома, модификацию бактериальной мембраны. Поздние гены, как правило, транскрибируются с вновь образующихся геномов. При их участии появляются белки капсида, участвующие в сборке вириона, упаковке генетического материала и обеспечивающие разрушение бактерии в определённое время. Образование отдельных структурных элементов частиц бактериофагов напоминает конвейерную сборку. На последнем этапе происходит упаковка генома в капсид.

Бактериофаг Т4: а - схема строения вирусной частицы; б - размножение в клетке-хозяине (кишечная палочка).

В зависимости от характера взаимодействия с клеткой бактериофаги делят на три группы. Заражение клетки вирулентными бактериофагами (например, Т-чётными фагами кишечной палочки) приводит к разрушению (лизису) бактерии и высвобождению фагового потомства. Для умеренных бактериофагов (в том числе фаги лямбда, Mul, Р1 и Р2 энтеробактерий) возможны два пути развития - литический (сходный с развитием вирулентных фагов) и лизогенный (смотри Лизогения), завершающийся установлением в клетке профага - скрытой неинфекционной формы вируса. При этом геном бактериофагов встраивается в бактериальную хромосому или находится в свободном состоянии, так же как плазмида. Бактерия, несущая профаг, называется лизогенной; она устойчива к повторному заражению этим бактериофагом. При определённых условиях (облучение, действие химических реагентов) может произойти активация профага и развитие бактериофагов продолжится по литическому пути. Бактериофаги третьей группы (в том числе fd и М13) имеют непрерывный цикл развития. Они постоянно размножаются в клетке, а жизнеспособное фаговое потомство удаляется из неё через особые поры в клеточной оболочке. Однако не всегда удаётся однозначно отнести природные бактериофаги к той или иной группе; умеренные фаги могут образовывать вирулентные мутанты, а геномы истинно вирулентных фагов (или их фрагменты) могут встраиваться в хромосомы бактерий.

Генетический аппарат бактериофагов подвержен изменениям, которые могут происходить в результате обмена отдельными участками генома при совместном заражении одной и той же бактерии разными фагами, либо при участии мобильных генетических элементов. В геномах вирулентных бактериофагов обнаружено множество генов, контролирующих синтез белков, сходных с белками самых разных организмов (в том числе патогенных бактерий, эукариот), а также различных вирусов животных, что свидетельствует об участии бактериофагов в миграциях генов в биосфере. Бактериофаги - важнейший фактор эволюции, приводящий к отбору фагоустойчивых вариантов бактерий, часто с изменёнными антигенными свойствами. Нередко в клетках обнаруживаются дефектные бактериофаги, которые возникают вследствие неправильного вырезания геномов умеренных бактериофагов и/или при встраивании в хромосомы части генома бактериофагов с участием мобильных генетических элементов. Особое значение имеют бактериофаги, способные к трансдукции - переносу бактериальных генов в результате ошибочной упаковки в фаговую частицу фрагмента бактериальной ДНК (вместо или вместе с геномом бактериофагов). Таким образом, бактериофаги обеспечивают быстрый обмен генами между разными штаммами (иногда видами) бактерий.

Бактериофаги широко используются в качестве модельных генетических объектов благодаря работам М. Дельбрюка, А. Д. Херши и др., начавших в 40-х годах 20 века свои генетические исследования и показавших применимость к бактериофагам основных положений классической генетики. С помощью бактериофагов было окончательно доказано, что генетическим материалом служит не белок, а ДНК, создана система анализа тонкой структуры генов, разработаны модели молекулярных механизмов мутагенеза. Благодаря бактериофагам был окончательно подтверждён полуконсервативный характер репликации ДНК, впервые описан механизм интеграции вирусного генома в хромосому клетки-хозяина. Выяснение механизма рестрикции и модификации у бактериофагов привело к открытию ферментов рестриктаз, что легло в основу генетической инженерии. Бактериофаги используются для генетических исследований бактерий, в качестве векторов для клонирования генов. Они нашли применение в медицине при лечении послеожоговых или раневых инфекций - фаготерапии, а также для идентификации патогенных бактерий.

Лит.: Адамс М. Бактериофаги. М., 1961; Bacteriophages: biology and applications / Ed. Е. Kutter, А. Sulakvelidse. Boca Raton, 2004.