ЛИЗОГЕНИЯ

ЛИЗОГЕНИЯ (греч, lysis разложение, ослабление + geneia происхождение, создание) — наследственно передаваемое свойство бактериальной клетки образовывать и выделять в окружающую среду бактериофаг, к которому данная культура бактерий устойчива. Существование бактерий, спонтанно продуцирующих фаг, впервые описано в 1921 г. Ж. Борде и Чукэ (М. Ciuca). Более глубокое изучение Л. было начато в 50-х гг. А. Львовым.

Бактериальные культуры, обладающие свойством продуцировать инфекционный фаг, называют лизогенными. Установлено, что лизогенная бактерия многократно делится и растет, не выделяя бактериофаг в среду. Он появляется в среде лишь после лизиса бактериальной клетки. Последующее заражение бактериальных клеток этими фагами может привести либо к лизису клетки, либо к установлению состояния лизогенности. Фаги, обладающие такой особенностью, относят к группе так наз. умеренных фагов. Все попытки обнаружить в лизогенной бактерии инф. частицу бактериофага или его антиген до формирования полноценной частицы вегетативного фага оказались безуспешными. В связи с этим сделано заключение, что бактериофаг в лизогенной бактерии находится в особой форме, отличающейся от зрелого фага, названной А. Львовым профагом. Полагают, что механизм формирования лизогенности заключается во внедрении и фиксации ДНК фага в хромосоме бактериальной клетки. В отличие от этого, псевдолизогенные культуры бактерий могут быть легко освобождены от содержащихся в них фагов, напр, в результате нескольких пересевов. Тот факт, что умеренные фаги могут формировать вирулентные мутанты (см. Бактериофаг), утратившие способность лизогенизировать бактериальные клетки, а нек-рые вирулентные фаги (напр., ТЗ) формируют варианты с ослабленной литической активностью, хотя и не обладающие способностью лизогенизировать, указывает на общность происхождения вирулентных и умеренных фагов.

Тип инфекции, при к-ром фаг, инфицировавший клетку, превращается в профаг, по терминологии А. Львова, называется редуктивным, а превращение фага в профаг — редукцией. Соотношение между количеством лизогенных клеток, образовавшихся при инфицировании бактериальной культуры умеренным фагом, и общим числом инфицированных клеток называют частотой лизогенизации. Частота лизогенизации зависит от стадии развития бактериального хозяина и свойств умеренного фага. Напр., частота лизогенизации бактериальных клеток фагом PI изменяется от 0,2 до 0,8 при выдерживании инфицированных клеток в течение 1 — 2 час. при t° 20—25° соответственно. Эффект имеет место, если инфицированные клетки подвергаются воздействию низкой температуры не позже чем через 20 мин. после заражения. По-видимому, в клетке, инфицированной умеренным фагом, формирование состояния Л. блокируется при низких температурах на первых этапах после заражения, когда создаются благоприятные условия для лизогенизации. Условия, влияющие на частоту лизогенизации, неодинаковы для различных фагов. Описанный выше эффект не отмечается в отношении фага Р2. Кристенсен (J. R. Christensen, 1957) и Бертани (G. Bertani, 1951) обнаружили, что частота лизогенизации фагами Р1, Р2, Р22 увеличивается иод влиянием хлормицетина, антибиотика, подавляющего синтез белка.

Лизогенность, приобретенная бактериальными клетками,— весьма стабильное свойство, сохраняющееся у культур при пересевах в течение ряда лет, однако можно допустить реверсию лизогенных клеток в нелизогенные, к-рые, в свою очередь, могут подвергнуться реинфекции фагом, находящимся в среде, и либо лизироваться, либо вновь стать лизогенными. Возможность освобождения бактерии от профага и превращения ее в нелизогенную подтверждена экспериментально. Ледерберг и Ледерберг (J. Lederberg, E. М. Lederberg) показали, что среди лизогенных бактерий (фагом X), выживших после облучения УФ-лучами, обнаруживается большое число нелизогенных бактерий. Они также установили, что возникновение стрептомицинорезистентных вариантов сопровождается исчезновением лизогенности. Бертани показал, что суперинфекция лизогенных бактерий вирулентным мутантом соответствующего умеренного фага обусловливает возникновение среди выживших бактерий нелизогенных особей. Следовательно, число лизогенных клеток в культуре будет зависеть от двух процессов: скорости реверсии клеток в нелизогенные и скорости их реинфекции.

Л. широко распространенное явление среди различных видов бактерий. По своим биохимическим, культуральным, антигенным свойствам лизогенные бактерии мало отличаются от исходной бактериальной культуры. Поверхностные структуры лизогенных и нелизогенных бактерий, как видно, также одинаковы. Лизогенная бактерия обладает способностью адсорбировать на своей поверхности бактериофаг, к-рый был использован для лизогенизации. Однако заражения бактерии фагом при этом не наблюдается и клетка не лизируется. Резистентность такой бактерии к гомологичному фагу называют иммунитетом лизогенной бактерии. Лизогенная бактерия оказывается иммунной не только к исходному фагу, но и к нек-рым его мутациям. Напр., штамм Е. coli К12 (λ) иммунен не только к фагу (λ), но и к мутантам λ mi, λ с и др.

Т. о., фагорезистентность лизогенных бактерий обусловлена не внешним исключением фага, связанным с изменением поверхностных структур бактерии и потерей фагорецепторов, а внутренним механизмом, исключающим инфицирование и репродукцию фага внутри клетки.

Превращение профага в зрелый бактериофаг в лизогенной бактерии может происходить спонтанно. Причины, обусловливающие этот процесс, пока недостаточно изучены. Отдельным лизогенным штаммам присуща определенная частота превращения профага в фаг. Однако у нек-рых лизогенных штаммов можно активировать этот процесс. Такие штаммы характеризуют как индуктабельные, а воздействие, провоцирующее этот процесс, как индукцию лизогенных бактерий. Индуцирующими факторами, кроме УФ-излучения и ионизирующей радиации, являются многие вещества, обладающие восстановительными свойствами (тиомалоновая и тиогликолевая к-ты, восстановленные глутатион и аскорбиновая к-та, гидроксихинолин и нек-рые мутагенные и канцерогенные вещества, в т. ч. азотистые иприты). Исходя из способа действия оксина (8-оксихинолина), А. Львов считает, что индукция происходит в результате катионного обмена, т. е. замены иона Co²⁺ ионом Ca²⁺ в профаге или в определенном энзиме, участвующем в конверсии профага в фаг.

Как показали работы Бертани и Ионеско (Н. Ionesco), не все про-фаги обладают в одинаковой мере способностью к индукции, и даже различные профаги одного и того же штамма бактерий могут обладать различной чувствительностью к индуцирующим агентам. Можно считать, что каждая система профаг — бактерия обладает собственным равновесием и что внутри одной бактерии могут существовать две такие системы, независимые друг от друга (полилизогенные системы). Особый интерес представляет то, что большинство индуцирующих агентов обладает канцерогенными свойствами.

Первые факты, устанавливающие связь хромосомы бактерии с профагом в лизогенных клетках, были получены Ледербергами, к-рые изучали наследуемость лизогении при скрещивании лизогенных доноров с нелизогенными реципиентами Е. coli (см. Конъюгация у бактерий). Они показали, что признак лизогенности, т. е. профаг, передается реципиенту, будучи сцепленным с другими хромосомальными маркерами. При этом было установлено, что разные профаги сцеплены с разными хромосомными генами. Так, профаг фага λ и его варианты передаются совместно с gal — опероном, профаг фага Р2 — с генами ферментации ксилозы и метионина, а ф 80 — с генами синтеза триптофана.

В основе современных представлений о механизме объединения генетического материала умеренного фага, в частности фага X с хромосомой бактерии, лежит модель Кемпбелла (1962), основные принципы к-рой заключаются в следующем: 1) ДНК фага X после проникновения в клетку превращается в циркулярную структуру; 2) циркулярная ДНК фага X обладает участком, обозначенным PP1, гомологичным соответствующему участку на хромосоме бактерии, обозначенным как ВВ1. Взаимодействие этих участков друг с другом приводит к так наз. реципрокной рекомбинации (см. Рекомбинация, у бактерий), в результате к-рой ДНК лизогенизирующего фага включается в ДНК бактерии. Превращение лизогенной бактерии в нелизогенную, равно как и индукция профага, сводится к обратимому процессу, т. е. к исключению профага из хромосомы. Как интеграция, так и исключение профага являются фагоспецифическими функциями, к-рые контролируются вирусным генетическим аппаратом.

Оказалось, что фаг X и фаг ср 80 обладают системой интеграции, необходимой для эффективного включения профага в бактериальную хромосому и выключения из нее. Гены фага X, контролирующие эту функцию, были картированы в хромосоме фага с правой стороны от участка PP. Были выделены также мутанты фага λint и показана их неспособность интегрировать в бактериальную хромосому, т. е. переходить в фазу профага, равно как и выключаться из ее состава при индукции (см. фаг лямбда). Рядом с геном int в хромосоме фага λ находится ген xis. Продукт гена xis необходим для процесса выхода профага фага λ из бактериальной хромосомы. Для осуществления лизогенизации, кроме продуктов фага, обеспечивающих сайтспецифичную рекомбинацию, должна быть блокирована продуктивная инфекция, т. е. литический путь развития умеренного фага. Это осуществляется с помощью продуктов фага, кодируемых его регуляторными генами. В 1957 г. было обнаружено, что мутанты фага, образующие прозрачные бляшки, не могут лизогенизировать бактерии. Эти мутации возникают в трех генах фага λ: сI, сII и сIII. Для установления лизогенного состояния необходимы продукты, контролируемые всеми тремя генами, но только продукт, детерминируемый геном сI, необходим для поддержания лизогенности. Следовательно, мутация в гене сI блокирует реакцию перехода инфицирующего фагового генома в состояние профага. Аллель с+ доминирует над мутантным аллелем сI, откуда следует, что ген сI контролирует синтез репрессора, подавляющего вегетативный цикл размножения умеренного фага и обеспечивающего иммунитет клетки. Этот репрессор в виде мономерного белка с молекулярным весом (массой) 27 000 для фага λ был выделен и охарактеризован. К наиболее изученным умеренным фагам относят фаг λ, PI, Р2, Р22 и нек-рые др.

Фаг, выделенный Ледербергами (1953) из штамма Е. coli К12, широко используется при изучении генетических рекомбинаций регуляции выражения генов и в генной инженерии. Морфологически он близок к фагу Т5. По антигенному строению фаг не имеет подобия ни с одним из фагов группы Т. В оптимальных условиях латентный период равен 45 мин., средний урожай — от 80 до 130 частиц. В ДНК фага обнаружены обычные азотистые основания. Известны различные варианты фага, характеризующиеся разнообразием формы негативных колоний (вариант mi — небольшие колонии с ореолом, вариант s — малые колонии без ореола, варианты m5 и mб — колонии среднего размера и др.).

Фаг PI выделен Бертани из естественно лизогенного штамма Е. coli Лисбона. Морфологически подобен фагу Т5. По антигенному строению фаг PI не имеет подобия ни с одним из фагов группы Т. В оптимальных условиях латентный период равен 47 мин., а средний урожай — 150— 300 частиц. Известен вирулентный вариант фага PI (PI — vir), образующий прозрачные негативные колонии, но потерявший способность к лизогенизации.

Фаг Р2 также выделен из штамма Лисбона. По антигенному строению отличается от фагов серии Т, но подобен фагу PI, отличаясь от него по ряду важнейших биол, признаков (размер частиц, тип негативных колоний, рост при низких температурах и т. д.). Эти два фага взаимно исключают друг друга в опытах смешанной инфекции, что позволяет относить их к различным типам. Морфологически подобен фагу Т1. Известны варианты фага Р2, характеризующиеся различной морфологией негативных колоний. Из фага Р2 получены также вирулентные варианты.

Фаг Р22 выделен Циндером (N. D. Zinder) и Ледербергом из лизогенного штамма Salmonella typhimurium. По форме и размеру головки подобен фагу Т1, но имеет более короткий хвост. В оптимальных условиях латентный период равен 30—32 мин., урожайность — более 1000 частиц. ДНК фага Р22 содержит обычные азотистые основания. Описаны вирулентные варианты фага P22, а также варианты, отличающиеся от исходного фага и друг от друга по форме негативных колоний.

При изучении Л. впервые была показана возможность существования у бактерий наследуемой маскированной инфекции, вскрыты механизмы активирования этой инфекции, выявлен один из механизмов фагорезистентности бактерий и вскрыты новые механизмы обмена генетическим материалом у бактерий.

В нек-рых случаях лизогенизация бактерий сопровождается резкими наследственными изменениями их метаболизма. Такой тип изменчивости бактерий, наблюдающийся только при лизогенизации, в отличие от трансдукции (см.), называют лизогенной конверсией. В 1951 г. Фримен (V. Freeman) показал, что нелизогенные авирулентные штаммы дифтерийной палочки в результате лизогенизации нек-рыми умеренными фагами превращаются в токсигенные. Доказано, что такое превращение имеет место лишь при лизогенизации определенными умеренными фагами. Из двух изученных фагов фаг бета обладал способностью изменять токсигенность, а фаг гамма не влиял на это свойство дифтерийной палочки. В опытах со смешанной инфекцией дифтерийной бактерии обоими фагами было показано, что конвергирующая активность является наследственным признаком, присущим отдельным штаммам фага, и необязательно обнаруживается у разных штаммов одного и того же вида. Наряду с этим получены факты, указывающие на роль бактерий в осуществлении конвергирующей активности фага. Это значит, что лизогенизация конвергирующим фагом в нек-рой части бактерий не сопровождается появлением токсигенности. Следовательно, появление токсигенных штаммов дифтерийной палочки при их лизогенизации зависит также и от свойств бактериального хозяина. Наряду с превращением дифтерийной палочки из токсигенной в нетоксигенную описаны другие случаи лизогенной конверсии, в частности изменения культуральных признаков у Вас. megatherium и антигенных свойств у сальмонелл. Механизм лизогенной конверсии изучен недостаточно. Тем не менее она свидетельствует, что профаг, фиксированный в наследственном аппарате бактерий, тем или иным способом изменяет биосинтетические процессы бактериальной клетки. Познание сущности этого явления важно для расшифровки механизма взаимоотношений между вирусом и хозяином, т. к. конверсия является примером извращения метаболизма клетки под влиянием локализованного в ней латентного фага, а конверсия нетоксигенных бактерий в токсигенные имеет важное значение в эпидемиологии и патогенезе дифтерии. Т. к. в итоге лизогенная конверсия изменяет вирулентные, серологические или культуральные свойства бактерий, это подчеркивает важность изучения данного феномена для решения нек-рых эпидемиол, и диагностических задач практической микробиологии.

Л. является также удобной моделью для изучения многих вопросов изменчивости и наследственности бактерий.

См. также Вирогения.

Библиогр.: Гольдфарб Д. М. Бактериофагия, М., 1961; о н же, Введение в генетику бактерий, М., 1966; Стент Г. Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1974; Тимаков В. Д. и Петровская В. Г. О проблеме лизогенности, Журн, микр., эпид, и иммун., № 12, с. 82, 1957, библиогр.; Фаг лямбда, пер. с англ., под ред. Б. Н. Ильяшенко, М., 1975; Campbell А. М. The episomes, Advanc. Genet., v. 11, p. 101, 1962, bibliogr.; Lederberg E.M.a. Lederberg J. Genetic studies of lysogenicity in Escherichia c61i, Genetics, v. 38, p. 51, 1953, bibliogr.; Lwoff A. a. GutmannA. Recherches sur un Bacillus megatherium lysogene, Ann. Inst. Pasteur, t. 78, p. 711, 1950, bibliogr.; Zinder N. D. a. L e-derberg J. Genetic exchange in Salmonella, J. Bact., v. 64, p. 679, 1952, bibliogr.

Д. М. Гольдфарб.