Profag
Profag je genom bakteriofaga (često skraćeno "fag") koji se integrira u kružni bakterijski hromosom ili postoji kao vanhromosomski plazmid unutar bakterijske ćelije.[1] Integracija profaga u bakterijskog domaćina je karakterističan korak lizogenog ciklusa umjerenih faga. Profagi ostaju latentni u genomu kroz višestruke ćelijske diobe sve do aktivacije vanjskim faktorom, poput UV svjetla, što dovodi do stvaranja novih fagnih čestica koje će lizirati ćeliju i širiti se dalje. Kao sveprisutni mobilni genetski elementi, profagi igraju veliku ulogu u genetici i evoluciji bakterija, na primjer u vezi sa sticanjem faktora virulencije.
Nakon detekcije oštećenja ćelije-domaćina UV svjetlom ili određenim hemikalijama, profag se izrezuje iz bakterijskog hromosoma u procesu koji se naziva indukcija profaga. Nakon indukcije, replikacija virusa počinje putem litičkog ciklusa. U litičkom ciklusu, virus kontrolira reproduktivni mehanizam ćelije. Ćelija se može puniti novim virusima dok se ne lizira ili ne pukne, ili može oslobađati nove viruse jedan po jedan u egzocitoznom procesu. Period između infekcije i lize naziva se latentni period. Virus koji slijedi litički ciklus naziva se virulentnim virusom. Profagi su važni agensi horizontalnog prijenosa gena i smatraju se dijelom mobiloma. Geni se prenose transdukcijom tako što se genom profaga nesavršeno izrezuje iz hromosoma domaćina i integrira u novog domaćina (specijalizirana transdukcija) ili se fragmenti DNK domaćina pakuju u čestice faga i unose u novog domaćina (generalizirana transdukcija).[2] Sve porodice bakterijskih virusa koje imaju kružne (jednolančane ili dvolančane) DNK genome ili repliciraju svoje genome putem replikacije po principu kotrljajućeg kruga (npr. Caudovirales) imaju umjerene pripadnike.[3]
Tokom infekcija bakterijskim patogenom Clostridioides difficile, spontano oslobađanje profaga iz bakterijskog hromosoma je uobičajeno.[4] Prisustvo dezoksiholne kiseline u crijevima može podstaći indukciju formiranja biofilma C. difficle, kao i indukciju oslobađanja profaga.[4]
Zigotska indukcija se javlja kada bakterijska ćelija koja nosi DNK bakterijskog virusa prenese svoju DNK zajedno s virusnom DNK (profagom) u novu ćeliju-domaćina. To uzrokuje raspad ćelije-domaćina.[5] DNK bakterijske ćelije je utišana (ekspresija njenih gena je potisnuta) prije ulaska u ćeliju represorskim proteinom kojeg kodira profag. Nakon transfera DNK bakterijske ćelije u ćeliju-domaćina, represorski protein više nije kodiran, a izvorna DNK bakterijske ćelije se zatim uključuje unutar ćelije-domaćina. Taj mehanizam će na kraju dovesti do oslobađanja virusa, cijepanja ćelije-domaćina i širenja virusne DNK.[5] Ovo novo otkriće pružilo je ključne uvide u bakterijsku konjugaciju i doprinijelo je ranom modelu represije regulacije gena, koji je pružio objašnjenje kako su geni lac operona i λ bakteriofaga negativno regulirani.[6]
Bakteriofag λ je sposoban proći kroz vrstu rekombinacijske popravke koja se naziva reaktivacija profaga.[6][7] λ fag oštećen UV zrakama može se popraviti kada inficira bakteriju koja već sadrži neoštećeni, blisko povezani λ genom integriran u njen hromosom u vidu profaga. Dvije homologne molekule DNK mogu se rekombinirati, omogućavajući oštećenom genomu faga da se oporavi, pri čemu se čini da je proces rekombinacijske popravke posredovan produktima gena recA+ i red+.
Liziranje ćelija-domaćina tokom indukcije profaga može prouzrokovati kolaps mikrobne populacije.[8][9] S druge strane, mehanizmi indukcije, transdukcije i isključivanja superinfekcije daju domaćinu mnoge korisne funkcije. Indukcija profaga omogućava domaćinima da se takmiče u mikrobnoj ekologiji inficiranjem i liziranjem osjetljivih bakterija.[10] Fagi također omogućavaju domaćinu da preuzme i integrira gene otpornosti na antibiotike iz obližnjih ćelija.[9][10][8][11] Osim toga, fagi mogu omogućiti domaćinu da stekne gene virulencije i patogenosti.[9][11] Modulacija formiranja biofilma je također pod utjecajem infekcije lizogenim fagima.[11] Isključivanje superinfekcije, ili zaštita od infekcije višestrukim fagima, može se postići integriranjem profaga.[12] Osim toga, mehanizmi rekombinacije posredovani fagima mogu remodelirati hromosom domaćina i pružiti ćelijama nove načine da reguliraju metabolizam i ekspresiju gena - na primjer, onih koji su uključeni u sporulaciju (stvaranje endospore) i kompetentnost.[11][13]
Profagi naučnicima mogu reći mnogo toga o odnosu između bakterije i domaćina.[14] S podacima o većem broju nepatogenih bakterija, istraživači će moći prikupiti dokaze o tome doprinose li profagi sposobnosti preživljavanja domaćina ili ne. Genomika profaga ima potencijal da dovede do prilagodbi bakterija svom okruženju, kao i promijenjenih interakcija između populacija bakterija.[14] Još jedno važno područje od naučnog interesa je kontrola ekspresije gena profaga, pri čemu su mnogi geni lizogene konverzije (konverzija gena) strogo regulirani.[15] Ovaj proces je sposoban pretvoriti nepatogene bakterije u patogene, koje sada mogu stvarati štetne toksine,[15] kao što je slučaj kod stafilokoknih infekcija. Budući da specifični mehanizmi djelovanja profaga još nisu detaljno opisani, dodatna istraživanja na tu temu bi naučnoj zajednici mogla olakšati buduća istraživanja.[14]
Egzotoksini koje kodiraju profagi uzrokuju patogena stanja u poljoprivredi i akvakulturi.[16]
- ↑ Saussereau, Emilie; Debarbieux, Laurent (2012). „Bacteriophages in the Experimental Treatment of Pseudomonas aeruginosa Infections in Mice” (en). Advances in Virus Research. 83. str. 127–128. DOI:10.1016/B978-0-12-394438-2.00004-9. ISBN 978-0-12-394438-2. PMID 22748810.
- ↑ „Phage-mediated horizontal gene transfer and its implications for the human gut microbiome”. Gastroenterology Report 10. 2022-04-13. DOI:10.1093/gastro/goac012. PMC 9006064. PMID 35425613.
- ↑ „Genomics of bacterial and archaeal viruses: dynamics within the prokaryotic virosphere”. Microbiology and Molecular Biology Reviews 75 (4): 610–635. December 2011. DOI:10.1128/MMBR.00011-11. PMC 3232739. PMID 22126996.
- 1 2 „Novel insights into phage biology of the pathogen Clostridioides difficile based on the active virome”. Front Microbiol 15. 2024. DOI:10.3389/fmicb.2024.1374708. PMC 10993401. PMID 38577680.
- 1 2 An Introduction to Genetic Analysis (7th izd.). New York, NY: Freeman. 2002. ISBN 978-0-7167-3520-5.
- 1 2 „Repair mechanisms involved in prophage reactivation and UV reactivation of UV-irradiated phage lambda”. Mutation Research 17 (3): 293–305. March 1973. Bibcode 1973MRFMM..17..293B. DOI:10.1016/0027-5107(73)90001-8. PMID 4688367.
- ↑ „Deoxyribonucleic acid repair in bacteriophage”. Microbiological Reviews 45 (1): 72–98. March 1981. DOI:10.1128/mr.45.1.72-98.1981. PMC 281499. PMID 6261109.
- 1 2 „Bacterial viruses enable their host to acquire antibiotic resistance genes from neighbouring cells”. Nature Communications 7 (1). November 2016. Bibcode 2016NatCo...713333H. DOI:10.1038/ncomms13333. PMC 5103068. PMID 27819286.
- 1 2 3 „Prophage Activation in the Intestine: Insights Into Functions and Possible Applications”. Frontiers in Microbiology 12. 2021-12-13. DOI:10.3389/fmicb.2021.785634. PMC 8710666. PMID 34966370.
- 1 2 „Fitness benefits to bacteria of carrying prophages and prophage-encoded antibiotic-resistance genes peak in different environments”. Evolution; International Journal of Organic Evolution 75 (2): 515–528. February 2021. DOI:10.1111/evo.14153. PMC 7986917. PMID 33347602.
- 1 2 3 4 „Importance of prophages to evolution and virulence of bacterial pathogens”. Virulence 4 (5): 354–365. July 2013. DOI:10.4161/viru.24498. PMC 3714127. PMID 23611873.
- ↑ „Prophages mediate defense against phage infection through diverse mechanisms”. The ISME Journal 10 (12): 2854–2866. December 2016. Bibcode 2016ISMEJ..10.2854B. DOI:10.1038/ismej.2016.79. PMC 5148200. PMID 27258950.
- ↑ „Bacterial genome remodeling through bacteriophage recombination”. FEMS Microbiology Letters 362 (1): 1–10. January 2015. DOI:10.1093/femsle/fnu022. PMID 25790500.
- 1 2 3 „Prophage genomics”. Microbiology and Molecular Biology Reviews 67 (2): 238–76, table of contents. June 2003. DOI:10.1128/MMBR.67.2.238-276.2003. PMC 156470. PMID 12794192.
- 1 2 „A new perspective on lysogeny: prophages as active regulatory switches of bacteria”. Nature Reviews. Microbiology 13 (10): 641–650. October 2015. DOI:10.1038/nrmicro3527. PMID 26373372.
- ↑ „Viruses as Winners in the Game of Life”. Annual Review of Virology (Annual Reviews) 3 (1): 197–214. September 2016. DOI:10.1146/annurev-virology-100114-054952. PMID 27741409.
