Микобактериофаг - Mycobacteriophage

А микобактериофаг является членом группы бактериофаги известно иметь микобактерии как виды бактерий-хозяев. Изначально изолирован от бактерий Микобактерии смегматис и Микобактерии туберкулеза,[1] возбудитель туберкулез с тех пор было выделено более 4200 микобактериофагов из различных экологических и клинических источников. Почти 1400 были полностью секвенированы.[2] Микобактериофаги служат примерами вирусных лизогения и о дивергентной морфологии и генетическом расположении, характерных для многих типов фагов.[3]

Все обнаруженные микобактериофаги имели двухцепочечная ДНК геномы и были классифицированы по их структуре и внешнему виду на siphoviridae или же миовирусы.[4]

Открытие

Обнаружен бактериофаг, заражающий Микобактерии смегматис в 1947 году был первый документально подтвержденный образец микобактериофага. Он был обнаружен в культурах бактерий, изначально росших во влажной среде. компост.[5] Первый бактериофаг, поражающий М. туберкулез был открыт в 1954 году.[6]

Разнообразие

Тысячи микобактериофагов были выделены с использованием одного штамма-хозяина, Микобактерии смегматис mc2155, более 1400 из которых были полностью секвенированы.[2] В основном это образцы окружающей среды, но микобактериофаги также были выделены из образцов стула туберкулез пациенты,[7] хотя их еще предстоит установить.[8] Было идентифицировано около 30 различных типов (называемых кластерами или синглетонами, если у них нет родственников), которые имеют небольшое сходство нуклеотидных последовательностей. Многие кластеры обладают достаточным разнообразием, поэтому геномы требуют разделения на подкластеры (рис. 1).[8]

Также существует значительный диапазон гуанин плюс содержание цитозина (GC%), от 50,3% до 70%, в среднем 64% (М. смегматис составляет 67,3%). Таким образом, GC% фага не обязательно совпадает с GC% своего хозяина, и, как следствие, несоответствие использование кодонов профили не кажутся вредными. Поскольку новые микобактериофаги, не обладающие обширным сходством ДНК с существующей коллекцией, все еще открываются, и поскольку существует по крайней мере семь синглтонов, для которых не было выделено ни одного родственника, нам явно еще предстоит насыщать разнообразие этой конкретной популяции.[8]

В коллекции> 50 000 гены может быть отсортирован в> 3900 групп (так называемые фамилии, т.е. семейства фаговых белков) в соответствии с их общими аминокислотными последовательностями. Большинство этих фамилий (~ 75%) не имеют гомологов вне микобактериофагов и имеют неизвестную функцию. Генетические исследования микобактериофага Джайлза показывают, что 45% генов не являются необходимыми для литический рост.[9]

Рисунок 1. Разнообразие микобактериофагов. Секвенированные геномы 471 микобактериофага сравнивали по общему содержанию генов и общему сходству нуклеотидных последовательностей. Цветные кружки охватывают кластеры A – T, как указано, а серые кружки представляют одиночные геномы, у которых нет близких родственников. A1, A2, A3 ... обозначают подкластеры. На микрофотографиях показаны морфотипы миовирусных фагов кластера C и сифовирусов (всех остальных), которые в первую очередь различаются длиной хвоста (масштабные полосы: 100 нм). За исключением DS6A, все фаги заражают М. смегматис mc2155. От Hatfull 2014[8]

Диапазон хостов

Анализ диапазона хозяев показывает, что не все микобактериофаги из М. смегматис заражать другие штаммы и только фаги в кластере K и в определенных подкластерах кластера A эффективно заражать М. туберкулез (Рисунок 1).[10] Однако мутанты могут быть легко выделены из некоторых фагов, которые расширяют круг своих хозяев для заражения этих других штаммов.[10] Однако молекулярные основы специфичности ряда хозяев в значительной степени неизвестны.

Архитектура генома

Первый секвенированный геном микобактериофага был геном микобактериофага L5 в 1993 году.[11] В последующие годы были секвенированы сотни дополнительных геномов.[2] Микобактериофаги очень мозаика геномы. Последовательности их генома показывают доказательства обширного горизонтальный генетический перенос как между фагами, так и между фагами и их микобактериальными хозяевами. Сравнение этих последовательностей помогло объяснить, как часто генетические обмены этого типа могут происходить в природе, а также то, как фаги могут способствовать бактериальному развитию. патогенность.[12]

Было выделено 60 микобактериофагов, и в 2009 году были секвенированы их геномы. Эти геномные последовательности были сгруппированы в кластеры несколькими способами, чтобы определить сходство между фагами и изучить их генетическое разнообразие. Более половины видов фагов первоначально были обнаружены в или около Питтсбург, Пенсильвания, хотя другие были найдены в других местах США, Индии и Японии. Четких различий в геномах видов микобактериофагов различного глобального происхождения не обнаружено.[13]

Было обнаружено, что геномы микобактериофагов содержат подмножество генов, претерпевающих более быстрый генетический поток, чем другие элементы геномов. Эти гены «быстрого потока» обмениваются между микобактериофагами чаще, и их последовательность на 50 процентов короче, чем у среднего гена микобактериофага.[13]

Приложения

Исторически микобактериофаг использовался для «типирования» (т.е. «диагностики») микобактерий, поскольку каждый фаг инфицирует только один или несколько бактериальных штаммов.[14] В 1980-х годах были открыты фаги как инструменты для генетического манипулирования их хозяевами.[15] Например, фаг TM4 был использован для создания шаттла фазмиды которые копируют как большие космиды в кишечная палочка и как фаги у микобактерий.[16] Фазмидами челнока можно манипулировать в Кишечная палочка и используется для эффективного введения чужеродной ДНК в микобактерии.

Фаги с микобактериальными хозяевами могут быть особенно полезны для понимания и борьбы с микобактериальными инфекциями у людей. Разработана система использования микобактериофага, несущего репортерный ген экранировать штаммы М. туберкулез на устойчивость к антибиотикам.[17] В будущем микобактериофаг можно будет использовать для лечения инфекций путем фаговая терапия.[18][19]

Рекомендации

  1. ^ МАНКЕВИЧ Э. (1961). «Микобактериофаги, выделенные от людей с туберкулезными и нетуберкулезными заболеваниями». Природа. 191 (4796): 1416–1417. Дои:10.1038 / 1911416b0.
  2. ^ а б c «База данных микобактериофагов». Phagesdb.org. Получено 4 сентября 2017.
  3. ^ Хатфулл, Грэм Ф. (13 октября 2010 г.). «Микобактериофаги: гены и геномы». Ежегодный обзор микробиологии. 64 (1): 331–356. Дои:10.1146 / annurev.micro.112408.134233.
  4. ^ Папа У.Х., Джейкобс-Сера Д., Рассел Д.А., Пиблз К.Л., Аль-Атраче З., Алкосер Т.А. и др. (Январь 2011 г.). «Расширение разнообразия микобактериофагов: понимание архитектуры и эволюции генома». PLoS ONE. 6 (1): e16329. Дои:10.1371 / journal.pone.0016329. ЧВК  3029335. PMID  21298013.
  5. ^ Гарднер, Грейс М .; Вайзер, Рассел С. (1947). «Бактериофаг для Mycobacterium smegmatis». Труды Общества экспериментальной биологии и медицины. 66: 205–206. Дои:10.3181/00379727-66-16037.
  6. ^ Froman S, Will DW, Bogen E (октябрь 1954 г.). «Бактериофаг, активный против вирулентных Mycobacterium tuberculosis. I. Выделение и активность». Am J Public Health Здоровье наций. 44 (10): 1326–33. Дои:10.2105 / AJPH.44.10.1326. ЧВК  1620761. PMID  13197609.
  7. ^ Cater, J. C .; Редмонд, В. Б. (1963). «Микобактериальные фаги, выделенные из образцов кала пациентов с легочными заболеваниями». Американский обзор респираторных заболеваний. 87: 726–9. Дои:10.1164 / arrd.1963.87.5.726. PMID  14019331.
  8. ^ а б c d Хатфулл, Г. Ф. (2014). «Микобактериофаги: окна в туберкулез». PLoS Патогены. 10 (3): e1003953. Дои:10.1371 / journal.ppat.1003953. ЧВК  3961340. PMID  24651299.
  9. ^ Dedrick, R.M .; Маринелли, Л. Дж .; Newton, G.L .; Pogliano, K; Pogliano, J; Хатфулл, Г. Ф. (2013). «Функциональные требования для роста бактериофага: существенность и экспрессия генов в микобактериофаге Giles». Молекулярная микробиология. 88 (3): 577–89. Дои:10.1111 / ммi.12210. ЧВК  3641587. PMID  23560716.
  10. ^ а б Джейкобс-Сера, Д; Маринелли, Л. Дж .; Bowman, C; Broussard, G.W .; Герреро Бустаманте, C; Бойл, М. М .; Петрова, З. О .; Dedrick, R.M .; Папа, W.H .; Альянс научного образования "Охотники за фагами" за продвижение геномики и эволюционной науки "Программа морских фагов"; Modlin, R.L .; Hendrix, R.W .; Хатфулл, Г. Ф. (2012). «О природе разнообразия микобактериофагов и предпочтениях хозяев». Вирусология. 434 (2): 187–201. Дои:10.1016 / j.virol.2012.09.026. ЧВК  3518647. PMID  23084079.
  11. ^ Hatfull, G.F .; Саркис, Г. Дж. (1993). «Последовательность ДНК, структура и экспрессия генов микобактериофага L5: фаговая система для микобактериальной генетики». Молекулярная микробиология. 7 (3): 395–405. Дои:10.1111 / j.1365-2958.1993.tb01131.x. PMID  8459766.
  12. ^ Педулла, Мариса Л; Форд, Майкл Э; Хаутц, Дженнифер М; Картикеян, Тарун; Уодсворт, Кертис; Льюис, Джон А; Якобс-Сера; и другие. (2003). "Происхождение высокомозаичных геномов микобактериофагов". Клетка. 113 (2): 171–182. Дои:10.1016 / S0092-8674 (03) 00233-2. PMID  12705866.
  13. ^ а б Hatfull, Graham F .; Якобс-Сера, Дебора; Лоуренс, Джеффри Дж .; Папа, Велкин Х .; Рассел, Дэниел А .; Ко, Чинг-Чунг; Вебер, Ребекка Дж .; Patel, Manisha C .; Germane, Katherine L .; Эдгар, Роберт Х. (19 марта 2010 г.). «Сравнительный геномный анализ 60 геномов микобактериофагов: кластеризация генома, получение генов и размер генов». Журнал молекулярной биологии. 397 (1): 119–143. Дои:10.1016 / j.jmb.2010.01.011. ЧВК  2830324. PMID  20064525.
  14. ^ Джонс-младший, У. Д. (1975). «Отчет фаготипирования 125 штаммов« Mycobacterium tuberculosis »"". Аннали Склаво; ривиста ди микробиология и ди иммунология. 17 (4): 599–604. PMID  820285.
  15. ^ Jacobs WR Jr. 2000. Mycobacterium tuberculosis: когда-то генетически трудноизлечимый организм. В молекулярной генетике микобактерий, под ред. GF Hatfull, WR Jacobs Jr, стр. 1–16. Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press
  16. ^ Jacobs, W. R .; Tuckman, M .; Блум, Б. Р. (1987). «Введение чужеродной ДНК в микобактерии с помощью челночной фазмиды». Природа. 327 (6122): 532–535. Дои:10.1038 / 327532a0. PMID  3473289.
  17. ^ Mulvey, MC; Sacksteder, KA; Эйнк, L; Нейси, Калифорния (2012). «Создание новой репортерной системы на основе нуклеиновых кислот для определения фенотипической чувствительности к антибиотикам у Mycobacterium tuberculosis». мБио. 3 (2): e00312–11. Дои:10,1128 / мBio.00312-11. ЧВК  3312217. PMID  22415006.
  18. ^ Данелишвили Л., Янг Л.С., Бермудез Л.Е. (2006). «In vivo эффективность фаговой терапии для инфекции Mycobacterium avium, доставляемой невирулентными микобактериями». Microb. Устойчивость к лекарствам. 12 (1): 1–6. Дои:10.1089 / mdr.2006.12.1. PMID  16584300.
  19. ^ Макнерни Р., Траоре Х. (2005). «Микобактериофаги и их применение для борьбы с болезнями». J. Appl. Микробиол. 99 (2): 223–33. Дои:10.1111 / j.1365-2672.2005.02596.x. PMID  16033452.

внешняя ссылка