Abbildung 2. Darstellung der Stadien des Bakteriophagen-lytischen Zyklus.
Sehen Sie hier den lytischen Zyklus in Aktion.

Lysogener Zyklus

Der lysogene Zyklus (Abbildung 3), der manchmal als gemäßigte oder nicht virulente Infektion bezeichnet wird, tötet die Wirtszelle nicht ab, sondern nutzt sie als Zufluchtsort, wo sie sich in einem Ruhezustand befindet. Nach der Injektion der Phagen-DNA in die Wirtszelle integriert sie sich mit Hilfe von Phagen-kodierten Integrasen in das Wirtsgenom, wo sie dann als Prophage bezeichnet wird. Das Prophagengenom wird dann zusammen mit dem Wirtsgenom passiv repliziert, während sich die Wirtszelle teilt, solange sie dort verbleibt und nicht die Proteine bildet, die zur Erzeugung von Nachkommen erforderlich sind. Da das Phagengenom im Allgemeinen vergleichsweise klein ist, sind die bakteriellen Wirte durch diesen Prozess normalerweise relativ unversehrt.

Abbildung 3. Darstellung der Stadien des lysogenen Bakteriophagen-Zyklus.

Übergang von lysogen zu lytisch

Wenn ein Bakterium, das Prophagen enthält, Stressoren wie UV-Licht, nährstoffarmen Bedingungen oder Chemikalien wie Mitomycin C ausgesetzt ist, können sich Prophagen spontan aus dem Wirtsgenom extrahieren und in einem als Induktion bezeichneten Prozess in den lytischen Zyklus eintreten.

Dieser Prozess ist jedoch nicht perfekt und Prophagen können manchmal Teile ihrer DNA zurücklassen oder Teile der Wirts-DNA mitnehmen, wenn sie rezirkularisieren. Wenn sie dann eine neue Wirtszelle infizieren, können sie bakterielle Gene in einem als Transduktion bezeichneten Prozess von einem Stamm zum anderen transportieren. Dies ist eine Methode, mit der sich Antibiotikaresistenzgene, Toxin- und Superantigen-kodierende Gene und andere Virulenzmerkmale in einer Bakterienpopulation ausbreiten können.

Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass der Übergang zwischen lytischer und lysogener Infektion auch von der Häufigkeit von Phagen in einem Gebiet abhängt, da sie in der Lage sind, kleine Peptide in einem Prozess zu produzieren und zu erfassen, der der Quorumsensorik ähnelt4.

Bakterielle Immunität gegen Phageninfektion

Nicht alle Bakterien sind gegen Phagenangriffe hilflos und besitzen ein „Immunsystem“, das es ihnen ermöglicht, sich zu wehren. CRISPR-Cas, das heute gleichbedeutend mit genetischer Veränderung ist, wurde erstmals als bakterielles „adaptives Immunsystem“ von Francisco Mojica5 und unabhängig von einer Gruppe der Université Paris-Sud6 im Jahr 2005 vorgeschlagen. Der CRISPR-Locus ist ein Array von kurzen wiederholten Sequenzen, die durch Spacer mit eindeutigen Sequenzen getrennt sind. Es wurde festgestellt, dass diese Spacer-Sequenzen Homologie zu viraler und Plasmid-DNA, einschließlich Phagen, aufweisen. Wenn sie von einem zuvor nicht angetroffenen Phagen angegriffen werden, werden neue Spacer an einer Seite des CRISPR hinzugefügt, wodurch der CRISPR eine chronologische Aufzeichnung des Phagen darstellt, dem die Zelle und ihre Vorfahren begegnet sind. Als Reaktion auf die Phageninvasion werden die CRISPR-Sequenzen transkribiert und in Partnerschaft mit Cas-Proteinen auf die Phagensequenzen abzielen und diese zerstören, die zu den Spacer-Sequenzen homolog sind.

Phage als genetische und molekularbiologische Werkzeuge

Der Lambda-Phage, der ursprünglich aus Escherichia coli isoliert wurde, ist einer der am besten untersuchten Phagen und bildete die Grundlage vieler genetischer Werkzeuge. Es wurde sogar gesagt, dass die Verwendung von Phagen als Werkzeuge letztendlich zur Entwicklung der Molekularbiologie als Disziplin geführt hat7. In den 1950er Jahren wurde die Fähigkeit des Phagen zur Rekombination mit Wirts-DNA erstmals genutzt, um die Genome von Salmonellenarten zu manipulieren, und so wurde der Prozess der Transduktion geboren8. Seitdem wurde es als Vehikel verwendet, um genetisches Material zwischen vielen Organismen zu bewegen, einschließlich Pilzgenmanipulationen9 und sogar menschlichen Genen. Es war dem bescheidenen Phagen zu verdanken, dass Humaninsulin zuerst sicher und billig hergestellt wurde. Es hat auch Anwendungen im Hochdurchsatz-Screening von Klonen, in der Nanomaterialentwicklung10, in der antibakteriellen Behandlung von Lebensmitteln, als Diagnosewerkzeug sowie in Wirkstoffentdeckungs- und Verabreichungssystemen eröffnet11.

Der Phage ϕx174 wurde 1977 zu einem unwissentlichen Pionier, als er dank Fred Sanger und Kollegen als erster Organismus seine gesamte Nukleotidsequenz bestimmte12.

Phagentherapie

Vor der Entdeckung von Antibiotika durch Alexander Fleming im Jahr 1928 wurden Phagen als Methode zur Behandlung bakterieller Infektionen untersucht. In der postantibiotischen Ära bedeutete die günstige Breitbandaktivität der Antibiotikabehandlung, dass die Forschung der meisten Organisationen zur Phagentherapie aufgegeben wurde. In vielen der ehemaligen Sowjetstaaten, in denen es an westlichen Antibiotika mangelte, wurde die Erforschung von Phagentherapien jedoch durch die Notwendigkeit fortgesetzt. Mit den zunehmenden globalen Problemen der Antibiotikaresistenz hat es in den letzten Jahren ein Wiederaufleben der Phagentherapie gegeben. Während Phagen Bakterien infizieren und zerstören können und erfolgreich zur Behandlung lebensbedrohlicher Infektionen eingesetzt wurden13, bedeuten ihre Spezies- und sogar Stammspezifität und das Potenzial für eine bereits bestehende Immunität einiger Bakterien, dass die gezielte Behandlung mit Phagen derzeit kein trivialer Prozess ist und auf die individuelle Infektion zugeschnitten werden muss. Dies macht es teuer und langwierig. Folglich ist es derzeit ein letzter Ausweg, und es ist noch viel Arbeit in diesem Bereich erforderlich.

Der Phagenstammbaum

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit und Erschwinglichkeit der Nukleotidsequenzierung ist die Anzahl der Phagengenome, die in den letzten zwei Jahrzehnten in Datenbanken eingereicht wurden, explodiert14 .

Phagen werden vom Internationalen Komitee für Taxonomie von Viren (ICTV) klassifiziert, ab ihrem Update 2017 gibt es 19 Familien von Phagen, die Bakterien und Archaeen infizieren (Tabelle 1), aber da mehr Proben aus entlegeneren Gebieten sequenziert werden, wird dies wahrscheinlich nur in Zukunft wachsen.

Scrollen Sie für mobile Benutzer nach links und rechts, um die Tabellendaten unten anzuzeigen.

Tabelle 1. ICTV taxonomische Klassifikation von Bakteriophagen, die Bakterien und Archaeen infizieren.

1. Twort FW. EINE UNTERSUCHUNG ZUR NATUR ULTRAMIKROSKOPISCHER VIREN. Lancet. 1915;186(4814):1241-1243. ust-IDNR.:10.1016/S0140-6736(01)20383-3
2. D’Herelle F. Über eine unsichtbare Mikrobe, die gegen dysenterische Bazillen antagonistisch ist: kurze Notiz von Herrn F. D’Herelle, präsentiert von Herrn Roux. 1917. Res Microbiol. 2007;158(7):553-554. doi:10.1016/j.resmic.2007.07.005
3. Taylor NMI, Prochorow NS, Guerrero-Ferreira RC, et al. Struktur der T4-Grundplatte und ihre Funktion bei der Auslösung der Mantelkontraktion. Natur. 2016;533(7603):346-352. doi:10.1038 / natur17971
4. Erez Z, Steinberger-Levy I, Shamir M, et al. Die Kommunikation zwischen Viren leitet Lyse-Lysogenie-Entscheidungen. Natur. 2017;541(7638):488-493. doi: 10.1038 / nature21049