Informatie

Hoe verlaat een profaag het genoom van de gastheercel?


Ik begrijp dat, in tegenstelling tot een profaag, een provirus het genoom nooit verlaat, maar ik begrijp niet hoe de profaag "vertrekt".


Dit wordt redelijk goed uitgelegd in het Wikipedia-artikel voor faag λ, de prototype lysogene faag. Kortom, integratie vindt plaats door site-specifieke recombinatie tussen de attP regio op het faaggenoom en de attB regio in het gastheergenoom. Dit betekent dat in de profaagvorm het faag-DNA wordt geflankeerd door directe herhalingen. Excisie omvat het omgekeerde proces - recombinatie tussen deze directe herhalingen. Excisie wordt bevorderd door de door fagen gecodeerde Xis- en Int-eiwitten in combinatie met het gastheereiwit Ihf. De regulerende cascade die cellulaire stress koppelt aan deze recombinatiegebeurtenis wordt gedetailleerd beschreven op de gekoppelde pagina.


Verschillende hosts en hun virussen

Virussen zijn vaak heel specifiek over welke gastheren en welke cellen binnen de gastheer ze zullen infecteren. Deze eigenschap van een virus maakt het specifiek voor een of enkele soorten leven op aarde. Er zijn zoveel verschillende soorten virussen dat bijna elk levend organisme zijn eigen reeks virussen heeft die zijn cellen proberen te infecteren. Zelfs de kleinste en eenvoudigste cellen, prokaryotische bacteriën, kunnen worden aangevallen door specifieke soorten virussen.

Afbeelding (PageIndex<1>): bacteriofaag: Deze transmissie-elektronenmicrofoto toont bacteriofagen die aan een bacteriële cel zijn bevestigd.


Lysogene cyclus

De lysogene cyclus is een methode waarmee een virus zijn DNA kan repliceren met behulp van een gastheercel. Doorgaans kunnen virussen twee soorten DNA-replicatie ondergaan: de lysogene cyclus of de lytische cyclus. In de lysogene cyclus wordt het DNA alleen gerepliceerd, niet vertaald in eiwitten. In de lytische cyclus wordt het DNA vele malen vermenigvuldigd en worden eiwitten gevormd met behulp van processen die van de bacteriën zijn gestolen. Hoewel de lysogene cyclus soms kan optreden bij eukaryoten, zijn prokaryoten of bacteriën veel beter begrepen voorbeelden.

Een bacteriofaag, of bacterievirus, injecteert zijn DNA in de bacteriën. Het DNA wordt vervolgens gerepliceerd wanneer de bacteriën celdeling ondergaan. Omdat al het DNA is gemaakt van dezelfde basismoleculen en viraal DNA daarop geen uitzondering is, kan dezelfde chemische reactie die bacterieel DNA repliceert, viraal DNA repliceren. Aangezien deze processen al in de bacteriën plaatsvinden, kan de lysogene cyclus worden gezien als het virus dat meelift op de inspanningen die de bacteriën al hebben geleverd. Doorgaans zijn de bacteriën ongedeerd door dit proces omdat de geproduceerde hoeveelheid viraal DNA klein is en de bacteriële machinerie niet is gekaapt door het virus, zoals in de lytische cyclus.

Op deze manier kan het virus zonder enige inspanning zijn DNA repliceren via de lysogene cyclus, of de voortdurende replicatie van viraal DNA door bacteriële deling. Wanneer de omstandigheden goed zijn, zal het virale DNA inductie ondergaan en zal het DNA overschakelen naar de lytische cyclus, waarin het DNA actief wordt getranscribeerd en vertaald in eiwitschillen die viraal DNA buiten de cel kunnen herbergen. Op een gegeven moment zullen de geïnfecteerde bacteriën vol zitten met virussen, elk ingekapseld in een viraal capside-eiwit. De cel zal lyseren of barsten, en de virussen zullen in de omgeving vrijkomen en andere bacteriën kunnen infecteren.

Zodra een nieuwe capside, die viraal DNA bevat, zijn weg vindt naar een bacterie, begint het proces opnieuw. Als de omstandigheden niet langer geschikt zijn voor de lytische cyclus, wordt de lysogene cyclus hervat. Er worden geen capsiden geproduceerd, maar het DNA wordt gerepliceerd wanneer de bacteriën replicatie ondergaan. Voor een waarnemer lijkt het virus slapend te zijn, of de bacteriën zouden er niet geïnfecteerd uitzien. Het simpelweg repliceren van het DNA in de lysogene cyclus is niet voldoende om de bacteriën te doden of te beschadigen. Op deze manier ziet het er gezond uit. Zodra de omstandigheden gunstig worden voor het virus om de bacteriën te verlaten, zal het de lysogene cyclus verlaten en de lytische cyclus binnengaan.

Lysogene cyclusstappen

Stap 1: Een bacteriofaagvirus infecteert een bacterie door zijn DNA in het bacteriële cytoplasma of de vloeistofruimte in de celwand te injecteren.

Stap 2: Het virale DNA wordt gelezen en gerepliceerd door dezelfde bacteriële eiwitten die bacterieel DNA repliceren.

  • bacteriofaag – Een virus dat bacteriën infecteert, ook wel bekend als fagen.
  • Lytische cyclus - Een van de twee methoden voor virale reproductie, waarbij DNA wordt gerepliceerd en capside-cases worden gemaakt om het te dragen.
  • Inductie – Het proces waarbij viraal DNA wordt overgeschakeld van de lysogene cyclus naar de lytische cyclus.
  • Virale capside-eiwit - Een eiwit, vertaald door bacteriële mechanismen van viraal DNA, bedoeld om viraal DNA in te kapselen en te beschermen tegen de omgeving, terwijl het een afgiftemechanisme biedt aan de volgende gastheer.

1. Een eukaryoot virus, zoals een virus dat mensen kan infecteren, prolifereert doorgaans door gebruik te maken van de cellulaire machinerie van de gastheer die het infecteert om meer virus-DNA te produceren, elk in een capside. Zelden repliceert het virus alleen zijn DNA en produceert het geen capside. Welke virale reproductiecyclus vertonen eukaryote virussen het meest?
A. Lysogene cyclus
B. Bacteriofagische cyclus
C. Lytische cyclus

2. Het virus dat Dengue Fever veroorzaakt, een tropische ziekte die voorkomt in gebieden met veel muggen, wordt via muggen van mens op mens overgedragen. In de menselijke cellen vermenigvuldigt het virus zich, kapselt het in in capsiden en barst uit cellen in de bloedbaan. De mug pikt deze capsiden vervolgens op, waar ze enkele cellen van de mug infecteren. Het Dengue-virus, nadat het zich heeft vermenigvuldigd, ingekapseld en zijn weg naar de speekselklier van de mug heeft gevonden, wordt vervolgens afgezet in de volgende mens die door die mug wordt gebeten. Wat waar is?
A. Het Dengue-virus doorloopt zowel de lysogene als de lytische cycli.
B. Het Dengue-virus doorloopt de lytische cyclus.
C. Het Dengue-virus doorloopt de lysogene cyclus.

3. Wat is het belangrijkste verschil tussen de lysogene cyclus en de lytische cyclus?
A. Het feit dat DNA wordt gerepliceerd.
B. De hoeveelheid gerepliceerd DNA en de productie van capside-eiwit dekt.
C. Het gebruik van de machines van de host om het proces te voltooien.


Dierlijke virussen

Dierlijke virussen hoeven, in tegenstelling tot de virussen van planten en bacteriën, niet door een celwand te dringen om toegang te krijgen tot de gastheercel. Niet-omhulde of "naakte" dierlijke virussen kunnen op twee verschillende manieren cellen binnendringen. Omdat een eiwit in de virale capside zich bindt aan zijn receptor op de gastheercel, kan het virus tijdens het normale celproces van receptor-gemedieerde endocytose via een blaasje in de cel worden opgenomen. Een alternatieve methode voor celpenetratie die wordt gebruikt door niet-omhulde virussen is dat capside-eiwitten vormveranderingen ondergaan na binding aan de receptor, waardoor kanalen in het gastheercelmembraan worden gecreëerd. Het virale genoom wordt vervolgens via deze kanalen "geïnjecteerd" in de gastheercel op een manier die analoog is aan die van veel bacteriofagen. Omhulde virussen hebben ook twee manieren om cellen binnen te gaan na binding aan hun receptoren: receptor-gemedieerde endocytose, of fusie. Veel omhulde virussen komen de cel binnen door receptor-gemedieerde endocytose op een manier die vergelijkbaar is met sommige niet-omhulde virussen. Aan de andere kant vindt fusie alleen plaats met omhulde virions. Deze virussen, waaronder onder andere HIV, gebruiken speciale fusie-eiwitten in hun enveloppen om de envelop te laten fuseren met het plasmamembraan van de cel, waardoor het genoom en de capside van het virus in het celcytoplasma vrijkomen.

Nadat ze hun eiwitten hebben gemaakt en hun genomen hebben gekopieerd, voltooien dierlijke virussen de assemblage van nieuwe virionen en verlaten ze de cel. Zoals we al hebben besproken aan de hand van het voorbeeld van HIV, kunnen omhulde dierlijke virussen uit het celmembraan ontluiken terwijl ze zichzelf verzamelen, waarbij ze een stuk van het plasmamembraan van de cel innemen. Aan de andere kant hopen niet-omhulde virale nakomelingen, zoals rhinovirussen, zich op in geïnfecteerde cellen totdat er een signaal is voor lysis of apoptose, en alle virionen worden samen vrijgegeven.

Zoals u in de volgende module zult leren, worden dierlijke virussen in verband gebracht met een verscheidenheid aan menselijke ziekten. Sommigen van hen volgen het klassieke patroon van: acute ziekte, waarbij de symptomen gedurende een korte periode steeds erger worden, gevolgd door de eliminatie van het virus uit het lichaam door het immuunsysteem en uiteindelijk herstel van de infectie. Voorbeelden van acute virale ziekten zijn verkoudheid en griep. Andere virussen veroorzaken langdurige chronische infecties, zoals het virus dat hepatitis C veroorzaakt, terwijl andere, zoals het herpes simplex-virus, alleen met tussenpozen symptomen. Nog andere virussen, zoals humane herpesvirussen 6 en 7, die in sommige gevallen de kleine kinderziekte roseola kunnen veroorzaken, veroorzaken vaak met succes productieve infecties zonder enige symptomen bij de gastheer, en daarom zeggen we dat deze patiënten een asymptomatische infectie.

Bij hepatitis C-infecties groeit en reproduceert het virus in levercellen, waardoor er weinig leverbeschadiging optreedt. De schade is zo laag dat geïnfecteerde personen vaak niet weten dat ze besmet zijn, en veel infecties worden alleen ontdekt door routinematig bloedonderzoek bij patiënten met risicofactoren zoals intraveneus drugsgebruik. Aan de andere kant, aangezien veel van de symptomen van virale ziekten worden veroorzaakt door immuunresponsen, is een gebrek aan symptomen een indicatie van een zwakke immuunrespons op het virus. Hierdoor kan het virus ontsnappen aan eliminatie door het immuunsysteem en jarenlang in individuen blijven bestaan, terwijl het tegelijkertijd lage niveaus van nageslachtvirionen produceert in wat bekend staat als een chronische virale ziekte. Chronische infectie van de lever door dit virus leidt tot een veel grotere kans op het ontwikkelen van leverkanker, soms wel 30 jaar na de eerste infectie.

Zoals reeds besproken, kan het herpes simplex-virus maanden, zelfs jaren in een latentietoestand in zenuwweefsel blijven. Omdat het virus zich in het weefsel 'verbergt' en weinig of geen virale eiwitten aanmaakt, is er niets waar de immuunrespons tegen kan optreden en neemt de immuniteit tegen het virus langzaam af. Onder bepaalde omstandigheden, waaronder verschillende soorten fysieke en psychologische stress, kan het latente herpes simplex-virus worden gereactiveerd en een lytische replicatiecyclus in de huid ondergaan, waardoor de met de ziekte geassocieerde laesies ontstaan. Zodra virions in de huid zijn geproduceerd en virale eiwitten zijn gesynthetiseerd, wordt de immuunrespons opnieuw gestimuleerd en worden de huidlaesies in een paar dagen opgelost door virussen in de huid te vernietigen. Als gevolg van dit type replicatieve cyclus treden koortslippen en uitbraken van genitale herpes slechts met tussenpozen op, ook al blijven de virussen levenslang in het zenuwweefsel. Latente infecties komen ook vaak voor bij andere herpesvirussen, waaronder het varicella-zoster-virus dat waterpokken veroorzaakt. Na een waterpokkeninfectie in de kindertijd, kan het varicella-zoster-virus vele jaren latent aanwezig blijven en bij volwassenen reactiveren om de pijnlijke aandoening te veroorzaken die bekend staat als "gordelroos" (Figuur 4).

Figuur 4. (a) Varicella-zoster, het virus dat waterpokken veroorzaakt, heeft een omhulde icosahedrale capside die zichtbaar is in deze transmissie-elektronenmicrofoto. Het dubbelstrengs DNA-genoom wordt opgenomen in het gastheer-DNA en kan na latentie opnieuw worden geactiveerd in de vorm van (b) gordelroos, vaak met uitslag. (credit a: wijziging van werk door Dr. Erskine Palmer, B.G. Martin, CDC credit b: wijziging van werk door "rosmary" / Flickr-schaalbalkgegevens van Matt Russell)

Figuur 5. HPV of humaan papillomavirus (credit: wijziging van het werk door NCI, NIH-schaalbalkgegevens van Matt Russell)

Sommige dier-infecterende virussen, waaronder het hierboven besproken hepatitis C-virus, staan ​​bekend als: oncogene virussen: Ze kunnen kanker veroorzaken. Deze virussen interfereren met de normale regulatie van de gastheercelcyclus, hetzij door genen te introduceren die ongereguleerde celgroei stimuleren (oncogenen) of door te interfereren met de expressie van genen die celgroei remmen. Oncogene virussen kunnen DNA- of RNA-virussen zijn.

Kankers waarvan bekend is dat ze geassocieerd zijn met virale infecties omvatten baarmoederhalskanker veroorzaakt door het humaan papillomavirus (HPV), leverkanker veroorzaakt door het hepatitis B-virus, T-celleukemie en verschillende soorten lymfoom.

HPV, of humaan papillomavirus (zoals te zien in figuur 5), heeft een naakte icosaëdrische capside die zichtbaar is in deze transmissie-elektronenmicrofoto en een dubbelstrengs DNA-genoom dat in het gastheer-DNA is ingebouwd. Het virus, dat seksueel overdraagbaar is, is oncogeen en kan leiden tot baarmoederhalskanker.

Link naar leren

Bezoek de interactieve animaties die de verschillende stadia van de replicatieve cycli van dierlijke virussen tonen en klik op de flash-animatielinks.


Gespecialiseerde transductie: mechanisme

Bij transductie wordt DNA van de ene cel naar de andere overgebracht door tussenkomst van virussen. Genetische overdracht van gastheergenen door bacteriofaag vindt plaats op twee manieren: gegeneraliseerde transductie en gespecialiseerde transductie.

Gespecialiseerde transductie komt alleen voor in sommige gematigde fagen. Maar gespecialiseerde transductie is een uiterst efficiënt mechanisme voor genoverdracht.

In sommige gevallen wordt DNA van een specifiek gebied van het gastheerchromosoom direct in het virusgenoom geïntegreerd, waarbij meestal enkele virale genen worden vervangen. De resulterende defecte transducerende faag (gematigde faag) deeltjes hebben nu bacterieel DNA als onderdeel van het genoom.

Om het proces van gespecialiseerde transductie te begrijpen, moet u zich eerst bewust zijn van de lytische cyclus van bacteriofaag.

  1. Wanneer een bacteriële cel wordt gelysogeniseerd door een lambda-faag, wordt het faaggenoom op een specifieke plaats in het gastheer-DNA geïntegreerd.
  2. Viraal DNA repliceert onder controle van de gastheer
  3. Op inductie: Het virale DNA scheidt zich van het gastheer-DNA door een proces dat omgekeerd is aan integratie.
    1. Tijdens het normale evenement: Lambda-DNA wordt als een eenheid uitgesneden
    2. Tijdens de zeldzame gebeurtenis. lambda-faag wordt onjuist uitgesneden, sommige van de aangrenzende bacteriële genen worden ook uitgesneden samen met faag-DNA, terwijl wat faag-DNA achterblijft. Deze fagen worden defectieve lambda-fagen genoemd.
    3. Wanneer het lysaat met defecte lambda-faag wordt gemengd met een gevoelige bacteriepopulatie, zijn er twee mogelijkheden
      1. Het bacteriële DNA kan tijdens lysogenisatie in het gastheerchromosoom worden geïntegreerd, en
      2. Het DNA kan in de ontvangers worden gerepliceerd als onderdeel van een lytische infectie

      Deel dit:

      Verwant

      Gerelateerde artikelen

      Bacteriële transformatie: mechanisme

      Laatst bijgewerkt op 20 mei 2021 Bacteriële transformatie is een van de drie horizontale genoverdrachtsmechanismen die in bacteriële cellen worden aangetroffen. De andere twee horizontale genoverdrachtsmechanismen zijn conjugatie (Transfer of F Plasmid & […]

      Deel dit:

      Genoverdrachtsmechanisme in bacteriën en zijn typen

      Laatst bijgewerkt op 14 juni 2021 In een bacteriële populatie kan DNA van het ene organisme naar het andere worden overgedragen door het horizontale overdrachtsmechanisme (afgezien van verticale overerving). Het aldus via laterale/horizontale methode overgebrachte DNA […]

      Deel dit:

      Gegeneraliseerde transductie: mechanisme

      Laatst bijgewerkt op 14 juni 2021 In Transductie wordt DNA van de ene cel naar de andere overgebracht door middel van virussen. Genetische overdracht van gastheergenen door bacteriofaag vindt op twee manieren plaats: gegeneraliseerde transductie en gespecialiseerde […]

      Deel dit:

      Wees de eerste om te reageren

      Heeft u vragen? Laat me alsjeblieft achter in de comments hieronder. Ik zal graag uw opmerkingen lezen en antwoorden. antwoord annuleren

      Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Lees hoe uw reactiegegevens worden verwerkt.


      Resultaten en discussie

      Verschillende geslachten van Sphingomonadales Een specifieke profaag stabiel hebben behouden

      De genomen van ten minste honderd stammen van verschillende soorten van Sfingomonas op volgorde zijn gezet. Hoewel de meeste van deze genoomsequenties onvolledig zijn, zouden ze kunnen worden gebruikt in analyses die gericht zijn op het begrijpen van de genomische diversiteit van het geslacht. Sphingomonas hengshuiensis stam WHSC-8 is een geel gepigmenteerde bacterie geïsoleerd uit "bodem van Hengshui Lake Wetland Reserve in de provincie Hebei, Noord-China" (Wei et al. 2015). Het genoom van stam WHSC-8 is een van de weinige binnen Sfingomonas waarvan de sequentie volledig is bepaald en bestaat uit een chromosoom (5.191.536 bp 66,7% GC) en een plasmide (36.853 bp 62,6% GC). PHASTER voorspelde een enkele "intacte" profaag binnen het chromosoom van stam WHSC-8 en kende een "score" van 150 toe, wat aangaf dat het onwaarschijnlijk was dat het een vals-positief resultaat zou zijn. Handmatige curatie bevestigde deze voorspelling en de locus (3.774.962-3.832.206 bp) werd Prophage I WHSC-8 (57.245 bp 68,5% GC) genoemd. In Prophage I WHSC-8 werden in totaal 74 ORF's geannoteerd/geïdentificeerd en de meeste codeerden voor hypothetische eiwitten. Hoewel werd voorspeld dat 12 ORF's van Profaag I WHSC-8 coderen voor vermeende faag-gerelateerde eiwitten op basis van homologie, waren ORF's die coderen voor een faagintegrase onder hen afwezig. Dit was niet verwonderlijk aangezien, volgens Casjens (2003), "hoewel de meeste gematigde fagen een integrase-gen dragen, is de aanwezigheid ervan noch noodzakelijk noch voldoende om het bestaan ​​van een profaag te bewijzen".

      Profaag I WHSC-8 zou verder kunnen worden afgebakend in drie verschillende regio's. Regio I (18.383 bp 70,46% GC) bevatte 22 ORF's, waaronder "cornerstone features" zoals ORF's die coderen voor vermeende faagcapside en portale eiwitten. De dichtstbijzijnde orthologen van 18 van deze ORF's werden gevonden in: Sfingomonas sp. Wortel 241 (zie aanvullende tabel S1, aanvullend materiaal online), die werd geïsoleerd uit de wortel van Arabidopsis thaliana (Bai et al. 2015). Met name de orthologen van veel van deze ORF's werden ook geïdentificeerd in de genomen van verschillende geslachten van de families Sphingomonadaceae en Erythrobacteraceae. Tabel 1 toont de kenmerken van 29 volledige en drie conceptgenomen van Sphingomonadales die een locus bevatte die homoloog is aan regio I van Profaag I WHSC-8. Uit deze tabel bleek dat de loci verschillende afmetingen hadden, en de kleinste in Novosphingobium pentaromativorans US6-1 en Porphyrobacter neustonensis DSM 9434 (elk met slechts drie ORF's). Het was ook duidelijk dat het GC% van de loci sterk varieerde, met de laagste (59,78%) in Altererythrobacter epoxidivorans CGMCC 1.7731, en de hoogste (73,20%) in Sphingomonas-taxi ATCC 55669. Hoewel er geen waarneembare relatie was tussen de grootte van de loci en hun GC%, was in de meeste gevallen de GC% hoger dan die van het gastheergenoom. Bovendien werden veel van deze homologe loci, afgebakend door vergelijkende genomica, ook door PHASTER geïdentificeerd als profagen met een "score" vergelijkbaar met die van Profaag I WHSC-8. de plaats in Erythrobacter litoralis HTCC2594 werd eerder geïdentificeerd als een profaag (Oh et al. 2009 Tonon et al. 2014).

      Vergelijking van profagen van vijf bacteriestammen. Een kaart van Profaag I WHSC-8 wordt bovenaan getoond (genoomcoördinaten 3.774.962-3.832.206 bp) en bevat 74 ORF's (weergegeven door pijlen). Regio I bestaat uit de eerste 22 ORFS, regio II bestaat uit ORF's 23-53 en regio III bestaat uit ORF's 54-74. De eerste ORF (ompA TS85_16970) codeert voor een vermeend buitenmembraaneiwit A. De twintigste ORF (spE TS85_17065) codeert voor een vermeende spermidinesynthase (zwarte pijl). De volgorde en oriëntatie van de ORF's in de orthologe profagen van Sfingomonas sp. Wortel 241 (genoomcoördinaten 501.740-517.840 bp in contig 2), Sfingomonas sp. PAMC 26617 (genoomcoördinaten 53.713-71.682 bp in contig 11), Sphingomonas-taxi ATCC 55669 (genoomcoördinaten 3.442.178-3.456.451 bp), en Sphingobium ummariense RL-3 (in contigs 46 en 81) worden getoond onder de kaart van Profaag I WHSC-8. Vier ORF's (3, 4, 5 en 22) waarvan de eiwitsequenties werden gebruikt voor fylogenetische analyses in figuren 3B en 4B zijn omcirkeld.

      Vergelijking van profagen van vijf bacteriestammen. Een kaart van Profaag I WHSC-8 wordt bovenaan getoond (genoomcoördinaten 3.774.962-3.832.206 bp) en bevat 74 ORF's (weergegeven door pijlen). Regio I bestaat uit de eerste 22 ORFS, regio II bestaat uit ORF's 23-53 en regio III bestaat uit ORF's 54-74. De eerste ORF (ompA TS85_16970) codeert voor een vermeend buitenmembraaneiwit A. De twintigste ORF (spE TS85_17065) codeert voor een vermeende spermidinesynthase (zwarte pijl). De volgorde en oriëntatie van de ORF's in de orthologe profagen van Sfingomonas sp. Wortel 241 (genoomcoördinaten 501.740-517.840 bp in contig 2), Sfingomonas sp. PAMC 26617 (genoomcoördinaten 53.713-71.682 bp in contig 11), Sphingomonas-taxi ATCC 55669 (genoomcoördinaten 3.442.178-3.456.451 bp), en Sphingobium ummariense RL-3 (in contigs 46 en 81) worden getoond onder de kaart van Profaag I WHSC-8. Vier ORF's (3, 4, 5 en 22) waarvan de eiwitsequenties werden gebruikt voor fylogenetische analyses in figuren 3B en 4B zijn omcirkeld.

      Profagen die vergelijkbaar zijn tussen verschillende bacteriën zijn ofwel overblijfselen van een lysogene gebeurtenis in een voorouderlijk genoom/gastheer, of recente onafhankelijke integraties van dezelfde bacteriofaag (Bobay et al. 2013, 2014). Met behulp van vier strenge criteria, Bobay et al. (2014) identificeerden geconserveerde profaagelementen onder vijftien stammen van Salmonella enterica die orthologen had in twee stammen van Escherichia coli. Deze P2-achtige orthologe profagen van de familie Myoviridae, hoewel een integrase ontbreekt, bleken te worden geflankeerd door "homologe kerngenen". Bij verre verwante bacteriën is het echter onwaarschijnlijk dat orthologe profagen worden geflankeerd door dezelfde genen als gevolg van chromosomale herschikkingen en genshuffling. In dergelijke gevallen zou de geconserveerde volgorde en oriëntatie van ORF's een betere indicator kunnen zijn voor gemeenschappelijke voorouders. Onder 27 volledige en drie conceptgenomen van Sphingomonadales, bleken de volgorde en oriëntatie van de ORF's binnen de profagen behouden te zijn (gegevens niet getoond). Bovendien bevond het profaagelement zich van 17 genomen op dezelfde plaats met een ORF dat codeert voor een vermeend superoxide-dismutase (tabel 1).

      Omdat de orthologe profagen geïdentificeerd door Bobay et al. (2014) kwamen uit S. enterica en E coli, vertoonden ze een "hoge verwantschap van genenrepertoire". Analyses van de vermeende eiwitten die worden gecodeerd door de 22 ORF's van regio I van Profaag I WHSC-8 met behulp van BLASTP gaven aan dat de dichtstbijzijnde orthologen (in Sfingomonas sp. Root 241 zie aanvullende tabel S1, aanvullend materiaal online) had een identiteitsbereik van 49-88% (gemiddeld 71,5%). De dichtstbijzijnde orthologen van deze eiwitten buiten Sfingomonas had een identiteitsbereik van 41-80% (gemiddeld 60%). De dichtstbijzijnde orthologen van de vermeende eiwitten die worden gecodeerd door de ORF's van regio III van Profaag I WHSC-8 (in sb. ummariense RL-3 zie aanvullende tabel S3, aanvullend materiaal online) had een identiteitsbereik van 30-72% (gemiddeld 51%). Samengevat geven deze resultaten aan dat de analyse van orthologe profagen op het niveau van geslachten en/of families kan vereisen dat de "drempel" van verwantschap wordt ingesteld op een waarde die niet >50% is. Bij het vergelijken van de orthologe profagen van S. enterica en E coli, Bobay et al. (2014) merkten op dat dergelijke elementen over het algemeen "een gendiversiteit vertonen die het gengehalte van de voorouderlijke profaag niet veel overschrijdt". Paarsgewijze vergelijkingen onthulden dat het genenrepertoire (42 ORF's) van de geconserveerde profagen geïdentificeerd in de genomen van Sphingomonadales was veel kleiner dan die van het gengehalte van Profaag I WHSC-8 (74 ORF's).

      Deze analyses geven aan dat de geconserveerde elementen een oude gematigde bacteriofaagintegratie vertegenwoordigen, en deze horizontale overdracht dateert van vóór natuurlijke selectie-gebaseerde soortvorming binnen de orde Sphingomonadales. De mogelijkheid dat deze elementen onafhankelijke lysogene omzettingen van verschillende bacteriën door dezelfde bacteriofaag met een breed gastheerbereik vertegenwoordigen, is klein, omdat ze alleen voorkomen bij leden van Sphingomonadales. Deze mogelijkheid wordt verder uitgesloten door het feit dat de gastheerstammen een brede verspreiding in ruimte en tijd hebben. De uitgebreide variatie in de lengte van de orthologe profagen tussen verschillende genomen suggereert dat ze zijn onderworpen aan differentiële genverliezen en dat sommige van hen zijn "gestabiliseerd" in de respectieve genomen. De waarneming dat de orthologe profagen verschillen in hun GC% suggereert dat ze gedurende langere tijd in hun gastheren hebben gewoond en dat de meeste van hen evolueren synchroon met hun respectieve gastheerchromosomen. Omdat het GC% van de profaag in de meeste gevallen hoger was dan dat van het gastheerchromosoom, is het mogelijk dat de samenstellende genen onder vergelijkbare selectie staan, wat nodig kan zijn om hun functies te behouden. Verdere analyses zijn nodig om te bepalen of deze genen onder zuiverende selectie staan, zoals is aangetoond voor de genen in de orthologe profagen van S. enterica en E coli (Bobay et al. 2014).

      De "stabilisatie" van profagen in het genoom van hun gastheren is een indicator van "fitheid" die wordt verleend door de resterende genen van deze elementen en adaptieve evolutie. Omdat de orthologe profaagelementen onder leden van Sphingomonadales lijken selectief te worden onderhouden, is het mogelijk dat ze enige conditie schenken. Het feit dat een dergelijk element afwezig was in de volledige genomen van Sphingomonas witticii (stam RW1), Sphingomonas sanxanigenens (stam DSM 19645), Sphingopyxis terrae (stam NBRC 15098), Sfingopyxis sp. (stam 113P3), Altererythrobacter ishigakiensis (stam NBRC 107699), en Zymomonas mobilis (stammen ATCC 10988, ATCC 29191, ATCC 29192, NCIMB 11163, NRRL B-12526, CP4 en ZM4) ondersteunt de hypothese van differentieel genverlies en impliceert dat het element geen deel uitmaakt van het "kerngenoom" van de Sphingomonadalesen is evenmin essentieel voor de bacteriële functie.

      De orthologe profagen bevatten een ORF dat codeert voor een vermeend proline-verrijkt eiwit

      Van de 22 ORF's die zijn geïdentificeerd in regio I van Profaag I WHSC-8, codeerde de eerste voor een vermeend buitenmembraaneiwit A (TS85_16970, OmpA, 378 aa fig. 1). Vergelijkende genomica leverde verschillende interessante inzichten op in dit ORF. Van de 32 genomen die in tabel 1 worden getoond, bevatten 27 een enkele kopie van deze ORF, die in elk ervan optrad als de eerste ORF van de orthologe profaag. De vermeende eiwitten die door deze ORF's worden gecodeerd, varieerden in lengte (349-384 aa, gemiddeld 365 aa) en identiteit (53-76%, gemiddeld 58%, met TS85_16970 als de zoeksequentie). In het genoom van Altererythrobacter namhicola JCM 16345, er was een enkele kopie van deze ORF (A6F65_01235, 318 aa) die geen deel uitmaakte van de orthologe profaag. In het genoom van P. neustonensis DSM 9434 en Croceicoccus naphthovorans PQ-2 waren er twee exemplaren van deze ORF (respectievelijk A9D12_03720 A9D12_12925 en AB433_03655 AB433_05665) en slechts één van hen trad op als de eerste ORF van de orthologe profaag in elk (tabel 1). Echter, in het genoom van Altererythrobacter atlanticus 26DY36 en Erythrobacter atlanticus s21-N3, waren er twee exemplaren van deze ORF (respectievelijk WYH_00683WYH_02434 en CP97_02815 CP97_06350) en geen van beide maakte deel uit van de orthologe profaag. De twee exemplaren die in elk van deze vier genomen zijn geïdentificeerd, kunnen een genduplicatie-gebeurtenis of een onafhankelijke acquisitie vertegenwoordigen. Bovendien was ten minste één kopie van dit ORF ook aanwezig in de genomen van verschillende Sphingomonadales die verstoken waren van een ortholgous profaag (bijv. Sm. sanxanigenens DSM 19645, NX02_04620, 356 aa). Het optreden van dit ORF in de afwezigheid van een ortholgous profaag geeft aan dat het ofwel een overblijfsel is van een oude profaag of een onafhankelijke acquisitie die selectief in stand is gehouden. buiten de Sphingomonadales, homologen (∼35% identiteit) van TS85_16970 werden alleen gevonden in een paar bacteriën, bijvoorbeeld in de geslachten Magnetospirillum (A6A05_07025, MGR_1855 en H261_18647), Brevundimonas (ASC65_02295), en Scytonema (QH73_05930). Alles bij elkaar genomen suggereren deze resultaten dat de vermeende OmpA-coderende ORF evenzeer een integraal onderdeel is van de ortholgische profagen in sommige Sphingomonadales, want het is van het pangenoom van de orde.

      Vergelijking van vermeende OmpA-orthologen van 33 bacteriestammen (weergegeven door locus-tagnummers weergegeven in tabel 1) door uitlijning van meerdere sequenties. Signaalpeptidesequenties (eerste 21 aa, weergegeven aan de linkerkant) konden niet worden geïdentificeerd in de OmpA-orthologen van vier bacteriestammen (ELI_13950, AMC99_02724, AM2010_2068 en NX02_04620). Proline-rijke linker/scharniergebieden worden aan de rechterkant getoond. Getallen bovenaan geven het totale aantal prolines in elke kolom aan. Getallen tussen haakjes geven het aantal aaneengesloten prolines aan versus het totale aantal prolines in elke OmpA.

      Vergelijking van vermeende OmpA-orthologen van 33 bacteriestammen (weergegeven door locus-tagnummers weergegeven in tabel 1) door uitlijning van meerdere sequenties. Signaalpeptidesequenties (eerste 21 aa, weergegeven aan de linkerkant) konden niet worden geïdentificeerd in de OmpA-orthologen van vier bacteriestammen (ELI_13950, AMC99_02724, AM2010_2068 en NX02_04620). Proline-rijke linker/scharniergebieden worden aan de rechterkant getoond. Getallen bovenaan geven het totale aantal prolines in elke kolom aan. Getallen tussen haakjes geven het aantal aaneengesloten prolines aan versus het totale aantal prolines in elke OmpA.

      Het voorkomen van een ORF dat codeert voor een vermeend buitenmembraaneiwit tussen de orthologe profagen van Sphingomonadales was niet verrassend omdat is aangetoond dat veel bacteriofagen (en profagen) geassocieerd met Gram-negatieve bacteriën ORF's dragen die coderen voor porines (Highton et al. 1985 Zhao et al. 2011). Er werd gespeculeerd dat deze eiwitten superinfectie kunnen voorkomen door de expressie te onderdrukken van andere genen die coderen voor buitenmembraaneiwitten die dienen als faagreceptoren (bijv. OmpC), en ook faagoverleving in "geïnduceerde lysogenen" kunnen vergemakkelijken (Highton et al. 1985). Er werd ook voorgesteld dat deze eiwitten "een structurele rol spelen bij de assemblage van fagen" (Zhao et al. 2011). Naast het dienen als receptoren voor antibiotica, bacteriofagen en colicinen, transporteren β-barrel-porinen verschillende moleculen door het buitenmembraan (Petersen et al. 2007). Omdat de ORF's die coderen voor vermeende OmpA-eiwitten consequent werden geïdentificeerd in de genomen van velen Sphingomonadales, en ze waren zelfs aanwezig in orthologe profagen die sterk waren afgeknot (bijv. N. pentaromativorans US6-1 en P. neustonensis DSM 9434), is het waarschijnlijk dat ze enige geschiktheid verlenen en dus selectief worden onderhouden. Hun functionele relevantie binnen de respectieve hosts moet nog worden gekarakteriseerd.

      Zes orthologe profagen bevatten een ORF dat codeert voor een vermeend spermadinesynthase

      Van de 22 ORF's die zijn geïdentificeerd in regio I van Prophage I WHSC-8, codeerde de twintigste voor een vermeend spermidinesynthase (TS85_17065, SpeE, 227 aa fig. 1 en zie aanvullende tabel S1, aanvullend materiaal online). Vergelijkende analyses gaven aan dat de orthologe profagen in de conceptgenomen van Sfingomonas sp. Wortel 241 en Sfingomonas sp. PAMC 26617 bevatte een soortgelijke ORF (fig. 1). Verder zijn de orthologe profagen in de conceptgenomen van Sfingomonas sp. PAMC 26605 en 26621 evenals het volledige genoom van Sphingomonas panacis DCY99 bevatte ook een ORF dat codeert voor een vermeende SpeE (gegevens niet getoond). Het concept/compleet genomen van 28 andere Sphingomonadales bevatte een vergelijkbare ORF, maar in elk van deze genomen bevond de ORF zich buiten de orthologe profaag (tabel 1). De eiwitten die door deze ORF's worden gecodeerd bevatten ∼222 aa en hun identiteit was 55-82% (gemiddeld 65%, waarbij TS85_17065 als zoeksequentie werd gebruikt). De bovenstaande resultaten wijzen op twee evolutionaire mogelijkheden voor de spE ORF onder Sphingomonadales 1) that it was once part of the orthologous prophage, but has been subsequently translocated to another part of the chromosome in many species/strains and 2) that it was part of the chromosome, but has been translocated into the orthologous prophage in the common ancestor of a few species/strains.

      Neither the presence of polyamines within bacteriophages nor the occurrence of genes involved in polyamine biosynthesis in their genomes is unusual ( Tabor and Tabor 1985 Shaw et al. 2010). However, the occurrence of such genes within prophages has not been reported hitherto. Therefore, the orthologous prophages from strains WHSC8, Root 241, PAMC 26605, PAMC 26617, PAMC 26621, and DCY99 are unusual in containing an ORF encoding a putative SpeE. Another feature of these and most other Sphingomonas strains is that their genomes either lacked an ORF (or contained a truncated/disrupted ORF) encoding a putative S-adenosylmethionine decarboxylase (SpeD). Consequently, these strains may not be able to produce spermidine and the speE ORFs within their genomes may be redundant. Indeed, chemotaxonomic studies of strains WHSC-8 and DCY99 have shown that they contain sym-homospermidine as the major polyamine ( Singh et al. 2015 Wei et al. 2015). The fact that the speE ORFs are selectively maintained within their respective hosts indicates that they may have an as yet unknown function. In view of these observations, and the prediction that genes encoding homospermidine synthases have spread from Alphaproteobacteria to other bacteria and viruses through horizontal gene transfer ( Shaw et al. 2010), it is possible that the ORFs encoding putative spermidine synthases were phage-borne.

      The Evolutionary Rates of Many Orthologous Prophages and Their Hosts Appear Similar

      (EEN) (TOP) Phylogenetic tree based on the proteomes of 19 bacterial strains of the order Sphingomonadales. The proteome of Escherichia coli strain K-12 substrain MG1655 (UniProt Proteome ID: UP000000625) was used as an outgroup. Except the outgroup, all other strains contained an orthologous prophage ( table 1). (B) (BOTTOM) Phylogenetic tree based on the protein sequences of four ORFs that were conserved in 19 orthologous prophages of the order Sphingomonadales. Homologous protein sequences from four bacteria (Alpha proteobacterium Q-1, GAK34242 Gemmatimonas aurantiaca T-27, BAH39687 Celeribacter halophilus, WP_066598903 Afipia sp. P52-10, ETR76025) were combined and used as an outgroup because a single species/strain that contained homologs of all four protein sequences could not be found. Both trees were constructed using the Neighbor-Joining method by the web server CVTree3. The top tree was visualized at K = 6 and the bottom tree was visualized at K = 4. In both trees, five distinct clades recognized based on species/strains represented within each are marked on the right side.

      (EEN) (TOP) Phylogenetic tree based on the proteomes of 19 bacterial strains of the order Sphingomonadales. The proteome of Escherichia coli strain K-12 substrain MG1655 (UniProt Proteome ID: UP000000625) was used as an outgroup. Except the outgroup, all other strains contained an orthologous prophage ( table 1). (B) (BOTTOM) Phylogenetic tree based on the protein sequences of four ORFs that were conserved in 19 orthologous prophages of the order Sphingomonadales. Homologous protein sequences from four bacteria (Alpha proteobacterium Q-1, GAK34242 Gemmatimonas aurantiaca T-27, BAH39687 Celeribacter halophilus, WP_066598903 Afipia sp. P52-10, ETR76025) were combined and used as an outgroup because a single species/strain that contained homologs of all four protein sequences could not be found. Both trees were constructed using the Neighbor-Joining method by the web server CVTree3. The top tree was visualized at K = 6 and the bottom tree was visualized at K = 4. In both trees, five distinct clades recognized based on species/strains represented within each are marked on the right side.

      (EEN) (TOP) Phylogenetic tree based on the 16S rDNA sequences (∼940 bp) of 19 bacterial strains of the order Sphingomonadales. The tree was rooted using the 16S rDNA sequence of Escherichia coli strain K-12 substrain MG1655 (GenBank locus tag AW869_04565) as the outgroup. Except the outgroup, all other strains contained an orthologous prophage ( table 1). (B) (BOTTOM) Phylogenetic tree based on the concatenated protein sequences (∼1,141 aa) of four ORFs that were conserved in 19 orthologous prophages of the order Sphingomonadales. Protein sequences were concatenated in the same order as their ORFs occurred in figure 1. The outgroup is similar to the one used in figure 3B. Both trees were constructed using the maximum likelihood method in MEGA 6.0. Bootstrap values of 1,000 replicates are indicated as numbers out of 100 at the nodes (only values >50 are shown). Scale bars show the number of nucleotide/aa substitutions per site.

      (EEN) (TOP) Phylogenetic tree based on the 16S rDNA sequences (∼940 bp) of 19 bacterial strains of the order Sphingomonadales. The tree was rooted using the 16S rDNA sequence of Escherichia coli strain K-12 substrain MG1655 (GenBank locus tag AW869_04565) as the outgroup. Except the outgroup, all other strains contained an orthologous prophage ( table 1). (B) (BOTTOM) Phylogenetic tree based on the concatenated protein sequences (∼1,141 aa) of four ORFs that were conserved in 19 orthologous prophages of the order Sphingomonadales. Protein sequences were concatenated in the same order as their ORFs occurred in figure 1. The outgroup is similar to the one used in figure 3B. Both trees were constructed using the maximum likelihood method in MEGA 6.0. Bootstrap values of 1,000 replicates are indicated as numbers out of 100 at the nodes (only values >50 are shown). Scale bars show the number of nucleotide/aa substitutions per site.

      While analyzing the prophages among S. enterica en E coli, Bobay et al. (2014) proposed that the evolutionary rates of orthologous prophages would be similar to those of their hosts, and demonstrated that a phylogenetic tree based on phage-derived protein sequences mirrors that of their respective hosts. To test this hypothesis, a phylogenetic tree was constructed using the CVTree 3.0 tool by analyzing the protein sequences of four ORFs (TS85_16980, TS85_16985, TS85_16990, and TS85_17075 see supplementary table S1 , Supplementary Material online) of Prophage I WHSC-8 that were conserved in 18 other orthologous prophages. The topology of this tree ( fig. 3B) was similar to that of the proteome-based tree ( fig. 3A) the genera Sphingomonas en Sphingobium branched into sister lineages, and the genera Novosphingobium en Sphingorhabdus were placed closer to members of the Erythrobacteraceae. Furthermore, a maximum likelihood phylogenetic tree (with 1,000 bootstrap replicates) constructed using the concatenated protein sequences of the four ORFs was similar to the 16S rDNA-based tree and corroborated the inferences ( fig. 4B). The discrepancies in the placement of species/strains within the main branches among the different trees could be due to the number and types of characters analyzed as well as the methods of analyses. Taken together, the results from the two types of phylogenetic analyses (Neighbor-Joining and maximum likelihood) indicate that the orthologous prophages have resided within their hosts for longer periods of time, and that most of them are evolving in sync with their respective host chromosomes.


      Virulent Bacteriophages and the Lytic Cycle

      Viruses that kill their infected host cell are said to be virulent. The DNA in these type of viruses is reproduced through the lytic cycle. In this cycle, the bacteriophage attaches to the bacterial cell wall and injects its DNA into the host. The viral DNA replicates and directs the construction and assembly of more viral DNA and other viral parts. Once assembled, the newly produced viruses continue to increase in numbers and break open or lyse their host cell. Lysis results in the destruction of the host. The whole cycle can be completed in 20 - 30 minutes depending on a variety of factors such as temperature. Phage reproduction is much faster than typical bacterial reproduction, so entire colonies of bacteria can be destroyed very quickly. The lytic cycle is also common in animal viruses.


      Live cell dynamics of production, explosive release and killing activity of phage tail-like weapons for Pseudomonas kin exclusion

      Communications Biology (2021)

      De Novo Sequencing Provides Insights Into the Pathogenicity of Foodborne Vibrio parahaemolyticus

      • Jianfei Liu
      • , Kewei Qin
      • , Chenglin Wu
      • , Kaifei Fu
      • , Xiaojie Yu
      • & Lijun Zhou

      Grenzen in cellulaire en infectiemicrobiologie (2021)

      The Human Gut Phageome: Origins and Roles in the Human Gut Microbiome

      • Eleanor M. Townsend
      • , Lucy Kelly
      • , George Muscatt
      • , Joshua D. Box
      • , Nicole Hargraves
      • , Daniel Lilley
      • & Eleanor Jameson

      Grenzen in cellulaire en infectiemicrobiologie (2021)

      Benzyl butyl phthalate activates prophage, threatening the stable operation of waste activated sludge anaerobic digestion

      • Xiang Tang
      • , Man Zhou
      • , Changzheng Fan
      • , Guangming Zeng
      • , Rui Gong
      • , Qiuxiang Xu
      • , Biao Song
      • , Zhaohui Yang
      • , Yang Yang
      • , Chengyun Zhou
      • , Xiaoya Ren
      • & Wenjun Wang

      Science of The Total Environment (2021)

      Modulation of OMV Production by the Lysis Module of the DLP12 Defective Prophage of Escherichia coli K12

      • Martina Pasqua
      • , Alessandro Zennaro
      • , Rita Trirocco
      • , Giulia Fanelli
      • , Gioacchino Micheli
      • , Milena Grossi
      • , Bianca Colonna
      • & Gianni Prosseda


      Bekijk de video: PEP-talk prof. Eric Snijder over coronavirussen (November 2021).