Вирусы — самые многочисленные биологические объекты на нашей планете. А численность бактериофагов, также известных как фаги — вирусы, заражающие бактериальные клетки и археи, — по оценкам ученых, составляет 1031 частицы. Они сильно влияют на микробные сообщества, действуя как векторы горизонтального переноса генов, кодирующие вспомогательные функции, полезные для видов бактерий-хозяев.
В течение десятилетий исследователи постигали фаги не так быстро, как хотелось, однако, благодаря появлению высокопроизводительной метагеномики, появилась возможность обнаружить беспрецедентное количество новых фагов. Так, неожиданным открытием стало то, что большинство фаговых последовательностей нельзя было отнести к какой-либо известной вирусной таксономии, установленной Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV).
Известно, что фаги влияют на различные экосистемы, а учитывая важность состава и функций микробиома кишечника для здоровья человека, все большее внимание стали уделять фагам, населяющим этот орган. Дисбаланс в совокупности бактерий приводит к развитию множества заболеваний и сложных состояний, таким как аллергии и ожирение. Однако до сих пор мы знали относительно мало о роли, которую играют кишечные бактерии и бактериофаги в здоровье и болезнях человека.
Прежде чем продолжить читать изложение результатов исследования, давайте познакомимся поближе с бактериофагами - что же они такое и каково их взаимодействие с бактериями ?
Взаимодействие бактериофага с бактериальными клетками
По характеру взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой различают вирулентные и умеренные фаги. Вирулентные фаги могут только увеличиваться в количестве посредством литического цикла. Процесс взаимодействия вирулентного бактериофага с клеткой складывается из нескольких стадий: адсорбции бактериофага на клетке, проникновения в клетку, биосинтеза компонентов фага и их сборки, выхода бактериофагов из клетки. Умеренные же бактериофаги интегрируют свой геном в геном бактерии : ДНК умеренного фага встраивается в ДНК бактерии и такой фаг называют профагом. Таким образом, умеренные фаги бывают в трех состояниях: зрелый фаг, вегетативный фаг и профаг. Профаг, ставший частью хромосомы бактерии, при ее размножении реплицируется синхронно с ее геномом, но не вызывает бактериолизиса, а передается по наследству от клетки к клетке неограниченному числу потомков.
Первоначально бактериофаги прикрепляются к фагоспецифическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Хвост фага с помощью ферментов, находящихся на его конце (в основном лизоцима), локально растворяет оболочку клетки, сокращается и содержащаяся в головке ДНК инъецируется в клетку, при этом белковая оболочка бактериофага остаётся снаружи. Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. ДНК бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние иРНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезируются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полуконсервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз. После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс — созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц.
Продолжительность этого процесса может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Затем происходит лизис клетки, и освобождаются новые зрелые бактериофаги. Иногда фаг инициирует лизирующий цикл, что приводит к лизису клетки и освобождению новых фагов. В качестве альтернативы фаг может инициировать лизогенный цикл, при котором он вместо репликации обратимо взаимодействует с генетической системой клетки-хозяина, интегрируясь в хромосому или сохраняясь в виде плазмиды. Таким образом, вирусный геном реплицируется синхронно с ДНК хозяина и делением клетки, а подобное состояние фага называется профагом. Бактерия, содержащая профаг, становится лизогенной до тех пор, пока при определённых условиях или спонтанно профаг не будет стимулирован на осуществление лизирующего цикла репликации. Переход от лизогении к лизису называется лизогенной индукцией или индукцией профага. На индукцию фага оказывает сильное воздействие состояние клетки хозяина предшествующее индукции, также как наличие питательных веществ и другие условия, имеющие место в момент индукции. Скудные условия для роста способствуют лизогенному пути, тогда как хорошие условия способствуют лизирующей реакции.
Очень важным свойством бактериофагов является их специфичность: бактериофаги лизируют культуры определённого вида, более того, существуют так называемые типовые бактериофаги, лизирующие варианты внутри вида, хотя встречаются поливалентные бактериофаги, которые паразитируют в бактериях разных видов.
Более половины геномов бактериофагов ранее не были известны науке
Ученые из Лаборатории взаимодействия хозяина и микробиоты при Институте Сенгера и Европейского института биоинформатики (Великобритания), применив метод секвенирования ДНК, составили каталог биоразнообразия вирусных видов, обнаруженных в 28 060 наборах геномов человеческого кишечника, собранных в 28 разных странах на шести континентах (Африка, Азия, Европа, Северная Америка, Южная Америка и Океания), и 2898 геномах бактериальных изолятов, которые вырастили из этого органа брюшной полости. Результаты их трудов представлены в журнале Cell.
Ученые обнаружили 142 809 геномов фагов, обитающих в кишечнике человека, более половины из которых никогда ранее не встречались. Вирусное разнообразие оказалось самым высоким среди такого типа бактерий, как фирмикуты. В то же время около 36% вирусных кластеров не ограничивались одним видом, создавая сети потоков генов между филогенетически разными видами бактерий.
Среди десятков тысяч вирусов ученые идентифицировали и новую широко распространенную кладу фагов с характеристиками, напоминающими бактериофаг crAssphage, обнаруженный в 2014 году в сточных водах множества стран. Эту группу, заражающую грамотрицательных анаэробных палочковидных бактерий семейства Bacteroidaceae, назвали губафагом. И, как считают специалисты, у нее и crAssphage — общий предок.
«Мы также наблюдали четкое разделение между фагомами жителей Северной Америки, Европы и Азии и образцами из Африки и Южной Америки. Интересно, что паттерны фагеома (совокупность последовательностей всех фаговых геномов в образце. — Прим. ред.) коррелировали с важными различиями в образе жизни человека. А фаги, обнаруженные в городских образцах, оказались нацелены на бактероиды, но не на бактерии семейства Prevotellaceae, тогда как в сельских образцах из Перу, Танзании, Мадагаскара и Фиджи содержались фаги с диапазоном хозяев, нацеленных на Prevotellaceae вместо Bacteroides», — рассказали ученые.
По их словам, получившийся высококачественный крупномасштабный каталог геномов фагов улучшит будущие исследования виромов — вирусной составляющей микробиома кишечника — и сделает возможным экологический и эволюционный анализ бактериофагов кишечника человека.
«Необходимо помнить, что не все вирусы вредны: они представляют собой неотъемлемый компонент экосистемы кишечника. Большинство вирусов, которые мы выявили, имеют ДНК в качестве генетического материала, то есть отличаются от известных патогенов, таких как коронавирус SARS-CoV-2 или вирус Зика, представляющих собой РНК-вирусы. Во-вторых наши образцы были получены в основном от здоровых людей, не имеющих каких-либо конкретных заболеваний», — объяснил доктор Александр Алмейда, один из авторов исследования.
Источники :
Naked Science, научно-популярный журнал
Википедия, свободная электронная энциклопедия
コメント