Внутриклеточное развитие и явление лизогения

Описанные выше бактериофаги неизменно лизируют зараженные ими бактерии, и потому их называют вирулентными. Некоторые фаги, однако, заражают бактерий-хозяев, но не размножаются в них автономно и не вызывают лизиса. Такие фаги называются умеренными. Видимо, их размножение происходит синхронно с размножением бактерии. Лишь иногда, в одной из 102... 105 таких лизогеиных бактерий, фаг начинает спонтанно размножаться и клетка лизируется. Чтобы обнаружить выход инфекционного фага, в этом случае требуется — в качестве индикатора — другой бактериальный штамм, для которого этот фаг вирулентен. Если смешать лизогенные бактерии с избытком бактерий-индикаторов и высеять их на агаризованную питательную среду, то будет наблюдаться рост колоний лизогенных бактерий. Время от времени некоторые клетки будут лизироваться и выходящие из них фаговые частицы будут заражать находящиеся по соседству чувствительные (индикаторные) бактерии. Это приведет к появлению бляшек в сплошном бактериальном газоне. Однако в середине каждой такой бляшки сохранится колония лизогенной бактерии.

Лизогенные бактерии обладают потенциальной способностью продуцировать фаг, но эту способность нельзя обнаружить ни морфологическими, ни серологическими исследованиями. Фаг в таком неинфекционном состоянии, дередающийся от клетки к клетке, называют профагом. Подобно другим признакам бактерий наличие профага наследуется. Поскольку все потомство лизогенной клетки также лизогенно, очевидно, профаг реплицируется синхронно с хромосомой клетки-хозяина (фиг. 80). иной вид за пределы своего класса. Паразитические простейшие, черви сохраняют типовые черты организации своего класса. Тем более совершенно неприемлемо предположение об эволюции клеточных форм микроорганизмов в неклеточные формы вирусов.

Большинство исследователей придерживаются другой гипотезы, согласно которой современные вирусы и фаги являются потомками первичных возникших на Земле доклеточных организмов. Патогенные вирусы произошли от свободножившмх древнейших неклеточных организмов, образовав специализированную ветвь облигатных внутриклеточных паразитов. Некоторые ученые думают, что нельзя совершенно исключить возможность существования и в настоящее время свободноживущих неклеточных организмов, ведущих сапрофитный образ жизни» (П. Г. Холодный, Смородинцев).

Размножение бактериофагов

1. условие размножения

Клетка бактерии-хозяина является средой для бактериофага, откуда он черпает вещества, необходимые для роста и размножения. Это, прежде всего относится к аминокислотам и компонентам нуклеиновых кислот. Если в питательной среде отсутствуют отдельные аминокислоты, без которых данный вид бактерии не проявляет роста, то и бактериофаг не размножается.

При благоприятных условиях размножения масса вновь образующихся корпускул бактериофага составляет 0,1 или даже более массы бактериальной клетки. Применение меченых изотопов позволило установить, что на построение тола бактериофага используются вещества как заранее синтезированные клеткой еще до со заражения, так и синтезированные ею уже в процессе инфекции. Например, фосфор ДНК бактериофага Т2 в количестве до 25% берется из соединений, ранее синтезированных клеткой, и на 75% используется из веществ, накопленных после заражения, в то время как белковый азот на 90% ассимилируется из соединений, образовавшихся после заражения. В случае бактериофага Т7, до 80% фосфора используется из первоначальных запасов хозяина (Лабау, 1951).

Приведенные данные показывают, что и белок, и нуклеиновая кислота бактериофага синтезируются из низкомолекулярных соединений, при внедрении бактериофага дыхание бактерии не изменяется. Однако при блокировке процессов, обеспечивающих энергетические ресурсы клетки, размножение бактериофага прекращается. Напротив, при некоторых воздействиях, препятствующих делению бактериальных клеток, но не прекращающих метаболические процессы, например, при действии пенициллина или ультрафиолетовой радиации, бактериофаг размножается беспрепятственно. Отсюда можно заключить, что между размножением бактерии-хозяина и бактериофага прямых коррелятивных связей не существует.

Репродукция бактериофага вызывает глубокие патологические изменения в метаболизме бактериальных клеток. У ряда патогенных и непатогенных микроорганизмов к результате заражения их бактериофагом снижается способность разлагать углеводы. В то же время наблюдается активирование комплекса восстановительных ферментов (Клейн и Шур-Шульц, 1947, 1948а, б). У кишечной палочки, зараженной бактериофагом, возрастает активность дегидраз (Клейн, 1954).

Лизис зараженных бактерии происходят, но окончании латентного периода, продолжительность которого различна у разных видов бактериофага. Лизис не связан с образованием инфекционного бактериофага, поскольку он наступает и в том случае, если под действием проф лавина развитие бактериофага нарушается, и вместо нормальных вирионов возникают дефективные неинфекционные частицы (Де Марс и др., 1953). По-видимому, биологической причиной лизиса являются процессы, связанные с размножением бактериофага и с переходом его в фазу покоя независимо от того, происходит ли этот переход нормально или абортивное. Во всяком случае, продолжительность латентного периода остается одинаковой при весьма больших колебаниях продолжительности генеративного цикла бактерии-хозяина, достигающих пятикратного размера из-за различных влияний внешней среды.

2. условие размножения

Процесс заражения бактериофагом бактериальной клетки начинается с адсорбции вирионов бактериофага на ее оболочке.

Бактериофаги на бактериальных клетках адсорбируются при всех градациях температуры от 0 до 37° С. Однако бактериофаг Т2 при низкой температуре исторгает генеративный материал не в клетку, а л окружающую среду и заражения бактерии не происходит.

Размножение Вирулентного фага. Литический цикл

Размножение вируса в клетке-хозяине — весьма сложный процесс. Отдельные этапы этого процесса — от заражения клетки-хозяина до освобождения зрелых вирусных частиц, способных в свою очередь произвести заражение — довольно хорошо изучены с биохимической, генетической и морфологической стороны на примере фагов Т-серии (фаги Т2, Т4, ТО). Благоприятной предпосылкой для таких исследований явилось то обстоятельство, что в фаговой ДНК вместо цитозина содержится 5-оксиметшщитозин, а потому ее синтез легко проследить по появлению этого основания. Можно получить мутанты фага, у которых та или иная стадия процесса размножения блокирована или же протекает только в определенных условиях. Опыты с такими мутантами позволяют установить, как происходит в клетке-хозяине морфологическое развитие (морфопоэз) фага, т. е. в какой временной последовательности синтезируются и соединяются субъединицы фаговых частиц.

Подобно другим вирусам, фаги неподвижны. При смешивании суспензии свободных фагов с суспензией бактерий фаговые частицы в результате случайных столкновений с клетками прикрепляются к поверхности этих последних (адсорбция) и вводят в клетку свою ДНК (инъекция). После некоторого периода, на протяжении которого происходят процессы синтеза и созревания, клетки лизируются и новообразованные фаговые частицы выходят наружу.

Адсорбция. Не всякий фаг адсорбируется на всякой бактерии. Специфичность фага в отношении хозяина определяется специфичностью адсорбции. Последняя зависит от рецепторов, имеющихся в клеточной стенке; рецепторы для одних фагов содержатся в липопротеидном слое, для других — в липополисахаридном. Устойчивость некоторых бактерий к фагам зависит, вероятно, оттого, что в их клеточной стенке рецепторные вещества вообще отсутствуют. При избытке фага на одной клетке может адсорбироваться 200...300 фаговых частиц.

6. Внутриклеточное развитие фага.

За адсорбцией следует инъекция, введение ДНК в клетку. У фага Т2 при этом базальная пластинка фиксируется на клетке, чехол отростка сокращается и чполый стержень (благодаря этому сокращению) входит в клетку. Опыты с фагом, у которого нуклеиновая кислота и белок несли разную метку (соответственно Р и S), показали, что в клетку попадает только нуклеиновая кислота, а белковая оболочка остается снаружи. Если отделить эту оболочку от зараженной клетки, размножение фага не нарушится. Во время так называемого скрытого периода (эклипс), продолжающегося у Escherichia coli в среднем 25 мин, в искусственно разрушенных бактериальных клетках не удается обнаружить фага. Фаговая ДНК, прежде всего, вызывает полную перестройку обмена веществ инфицированной клетки. Тотчас же после заражения прекращается синтез бактериальной ДНК. Через несколько минут прекращается также синтез бактериальной РНК и бактериального белка, хотя общее содержание белка продолжает непрерывно увеличиваться. Затем синтез ДНК возобновляется, причем с повышенной скоростью. Сначала Фаговая ДНК образуется за счет распавшейся бактериальной. Эту перестройку и последующее новообразование фаговой ДНК можно количественно проследить по увеличению содержания 5-оксиметил-цитозипа — основания, специфичного для ДНК некоторых Т-фагов. Необходимые для синтеза фаговой ДНК ферменты образуются вскоре после заражения. Это так называемые «ранние белки». К «поздним белкам» относятся белки оболочки фага и фаговый лизоцим, или эндолизин; «поздние белки» образуются лишь во второй половине скрытого периода.

Заключительный процесс — созревание — состоит в соединении фаговой ДНК с белком оболочки и образовании зрелых инфекционных фаговых частиц. Созревание Лизогенные бактерии иммунные к заражению теми фагами, которые присутствуют в них в виде профага. Обеспечиваемый профагами иммунитет основывается не на отсутствии адсорбции (как при устойчивости к вирулентным фагам), а на образовании особого цитоплазматического ропрессорного вещества, препятствующего размножению легетатипного фага. Это же ропрессорное вещество препятствует возврату профага is вегетативное состояние и подавляет синтез фаговых белков. Возникновение лизогенного состояния связано; таким образом, с образованием репрессора.

Спонтанно, без воздействия извне, лизогенные бактерии лизируются редко. Однако целый ряд факторов (ультрафиолетовые лучи и другие мутагенные агенты) может индуцировать в каждой клетке развитие профага, ведущее к образованию и выделению инфекционного фага. Успех такой индукции зависит от генетической конституции профага, физиологического состояния хозяина и условий культивирования. Индукция явно основывается па устранении или инактивации имеющихся молекул репрессора.

Существуют мутанты умеренных фагов, вызывающие в клетке образование термолабильного репрессора. В этом случае для того, чтобы индуцировать лизис бактерий, достаточно просто повысить температуру до 44° С. Агенты, под действием которых происходит индукция,

по-видимому, вызывают накопление в клетке какого-то индуктора, инактивирующего репрессор.

Умеренные фаги могут также переходить в вирулентное состояние в результате мутации. Мутанты бывают двух типов. Одни мутанты оказываются устойчивыми к репрессору фага (они, поэтому могут размножаться и в лизогенных клетках, иммунных к обычным гомологичным фагам); другие мутанты утратили саму способность вызывать в клетке синтез репрессора. Этим, однако, дело не исчерпывается; вирулентные мутанты умеренных фагов отличаются от обычных вирулентных фагов по целому ряду физиологических признаков.