Mykobakteriofag - Mycobacteriophage

Model strukturalny Mycobacteriophage ZoeJ w rozdzielczości atomowej

Mykobakteriofag jest członkiem grupy bakteriofagów znanym, mykobakterie jak gatunki bakterii gospodarza. Chociaż pierwotnie wyizolowano z gatunków bakterii Mycobacterium smegmatis i Mycobacterium tuberculosis , czynnika wywołującego gruźlicę , od tego czasu z różnych źródeł środowiskowych i klinicznych wyizolowano ponad 4200 mykobakteriofagów. 2042 zostały całkowicie zsekwencjonowane. Mykobakteriofagi posłużyły jako przykłady lizogenii wirusa oraz rozbieżnej morfologii i układu genetycznego charakterystycznego dla wielu typów fagów.

Wszystkie znalezione do tej pory mykobakteriofagi miały genomy dwuniciowego DNA i zostały sklasyfikowane na podstawie ich struktury i wyglądu jako siphoviridae lub myoviridae .

Odkrycie

Pierwszym udokumentowanym przykładem mykobakteriofaga był bakteriofag, który zarażał Mycobacterium smegmatis w 1947 roku. Stwierdzono go w kulturach bakterii pierwotnie rosnących w wilgotnym kompoście . Pierwszy bakteriofag infekujący M. tuberculosis został odkryty w 1954 roku.

Różnorodność

Tysiące mykobakteriofagów wyizolowano przy użyciu pojedynczego szczepu gospodarza, Mycobacterium smegmatis mc2155, z których ponad 1400 zostało całkowicie zsekwencjonowanych. Pochodzą one głównie z próbek środowiskowych, ale mykobakteriofagi wyizolowano również z próbek kału pacjentów chorych na gruźlicę , chociaż nie zostały one jeszcze zsekwencjonowane. Zidentyfikowano około 30 różnych typów (zwanych klastrami lub singletonami, jeśli nie mają krewnych), które mają niewielkie podobieństwo sekwencji nukleotydów. Wiele klastrów obejmuje wystarczającą różnorodność, aby genomy uzasadniały podział na podgrupy (ryc. 1).

Istnieje również znaczny zakres ogólnej zawartości guaniny plus cytozyny (GC%), od 50,3% do 70%, ze średnią 64% ( M. smegmatis wynosi 67,3%). Tak więc GC% faga niekoniecznie pasuje do jego gospodarza, a wynikające z tego niedopasowanie profili wykorzystania kodonów nie wydaje się być szkodliwe. Ponieważ wciąż odkrywane są nowe mykobakteriofagi pozbawione dużego podobieństwa DNA z istniejącą kolekcją, a ponieważ istnieje co najmniej siedem singletonów, dla których nie wyizolowano krewnych, wyraźnie musimy jeszcze nasycić różnorodność tej konkretnej populacji.

Zbiór >50 000 genów można podzielić na > 3900 grup (tzw. rodziny , tj. rodziny białek fagowych) zgodnie z ich wspólnymi sekwencjami aminokwasowymi. Większość z tych rodzin (~75%) nie ma homologów poza mykobakteriofagami i ma nieznaną funkcję. Badania genetyczne z mykobakteriofagami Giles pokazują, że 45% genów jest nieistotnych dla wzrostu litycznego .

Rycina 1. Różnorodność mykobakteriofagów. Zsekwencjonowane genomy dla 471 mykobakteriofagów porównano pod kątem ich wspólnej zawartości genów i ogólnego podobieństwa sekwencji nukleotydów. Kolorowe kółka obejmują skupienia AT, jak wskazano, a szare kółka reprezentują genomy singletonowe, które nie mają bliskich krewnych. A1, A2, A3... wskazują podgrupy. Mikrografy pokazują morfotypy miowirusowych fagów klastra C i sifowirusów (wszystkie inne), które różnią się przede wszystkim długością ogona (podziałki: 100 nm). Z wyjątkiem DS6A wszystkie fagi infekują M. smegmatis mc2155. Od Hatfull 2014

Zakres hostów

Analiza zakresu gospodarzy pokazuje, że nie wszystkie mykobakteriofagi z M. smegmatis infekują inne szczepy i tylko fagi w Klastrze K oraz w niektórych podgrupach Klastra A skutecznie infekują M. tuberculosis (Figura 1). Jednak mutanty można łatwo wyizolować z niektórych fagów, które rozszerzają zakres swoich gospodarzy, aby zainfekować te inne szczepy. Jednak podstawa molekularna swoistości zakresu gospodarzy jest w dużej mierze nieznana.

Architektura genomu

Pierwszym zsekwencjonowanym genomem mykobakteriofaga był genom mykobakteriofaga L5 w 1993 roku. W kolejnych latach zsekwencjonowano setki dodatkowych genomów. Mykobakteriofagi mają wysoce mozaikowe genomy. Ich sekwencje genomowe wykazują dowody na rozległy horyzontalny transfer genetyczny , zarówno między fagami, jak i między fagami a ich gospodarzami prątkami. Porównanie tych sekwencji pomogło wyjaśnić, jak często tego typu wymiany genetyczne mogą zachodzić w przyrodzie, a także jak fagi mogą przyczyniać się do patogeniczności bakterii .

Wyizolowano 60 mykobakteriofagów, a ich genomy zsekwencjonowano w 2009 roku. Te sekwencje genomu pogrupowano w klastry kilkoma metodami, aby określić podobieństwa między fagami i zbadać ich różnorodność genetyczną. Ponad połowa gatunków fagów została pierwotnie znaleziona w Pittsburghu w Pensylwanii lub w jego pobliżu , chociaż inne znaleziono w innych lokalizacjach w Stanach Zjednoczonych, Indiach i Japonii. Nie znaleziono wyraźnych różnic w genomach gatunków mykobakteriofagów o różnym pochodzeniu globalnym.

Odkryto, że genomy mykobakteriofagów zawierają podzbiór genów podlegających szybszemu przepływowi genetycznemu niż inne elementy genomu. Te geny „szybkiego przepływu” są wymieniane między mykobakteriofagami częściej i mają o 50 procent krótszą sekwencję niż przeciętny gen mykobakteriofagów.

Aplikacje

Historycznie, mykobakteriofag był używany do „typowania” (tj. „diagnozowania”) prątków, ponieważ każdy fag infekuje tylko jeden lub kilka szczepów bakteryjnych. W latach 80. odkryto fagi jako narzędzia do genetycznej manipulacji gospodarzem. Na przykład, faga TM4 użyto do skonstruowania wahadłowych fagów, które replikują się jako duże kosmidy w Escherichia coli i jako fagi w prątkach. Fazmidy wahadłowe można manipulować w E. coli i wykorzystać do skutecznego wprowadzenia obcego DNA do prątków.

Fagi z gospodarzami mykobakteryjnymi mogą być szczególnie przydatne do zrozumienia i zwalczania infekcji prątkowych u ludzi. Opracowano system wykorzystujący mykobakteriofagi niosące gen reporterowy do przeszukiwania szczepów M. tuberculosis pod kątem oporności na antybiotyki. W przyszłości mykobakteriofagi mogą być wykorzystywane do leczenia infekcji poprzez terapię fagową .

Bibliografia

Zewnętrzne linki