Микобактериофаг
Микобактериофаг которые является членом группы бактериофагов, , как известно, имеют микобактерии в качестве видов бактерий-хозяев. Первоначально он был выделен из видов бактерий Mycobacterium smegmatis и Mycobacterium Tuberculosis . [ 2 ] В качестве возбудителя туберкулеза с тех пор из различных экологических и клинических источников было выделено более 4200 микобактериофагов. 2042 человека были полностью секвенированы. [ 3 ] Микобактериофаги служат примерами вирусной лизогении , а также дивергентной морфологии и генетического расположения, характерных для многих типов фагов. [ 4 ]
Все обнаруженные к настоящему времени микобактериофаги имели геномы с двухцепочечной ДНК и по своей структуре и внешнему виду были классифицированы на сифовирусы или миовирусы . [ 5 ]
Открытие
[ редактировать ]Бактериофаг, который, как было обнаружено, инфицировал Mycobacterium smegmatis в 1947 году, был первым документально подтвержденным примером микобактериофага. Он был обнаружен в культурах бактерий, первоначально растущих во влажном компосте . [ 6 ] Первый бактериофаг, инфицирующий M.tuberculosis, был открыт в 1954 г. [ 7 ]
Разнообразие
[ редактировать ]Тысячи микобактериофагов были выделены с использованием одного штамма-хозяина Mycobacterium smegmatis mc2155, более 1400 из которых были полностью секвенированы. [ 3 ] В основном они получены из образцов окружающей среды, но микобактериофаги также были выделены из образцов стула больных туберкулезом . [ 8 ] хотя их еще предстоит секвенировать. [ 9 ] Было идентифицировано около 30 различных типов (называемых кластерами или одиночками, если у них нет родственников), которые имеют небольшое сходство нуклеотидных последовательностей. Многие из кластеров охватывают достаточное разнообразие, поэтому геномы требуют разделения на субкластеры (рис. 1). [ 9 ]
Также существует значительный диапазон общего содержания гуанина и цитозина (GC%): от 50,3% до 70%, в среднем 64% ( M. smegmatis составляет 67,3%). Таким образом, GC% фага не обязательно соответствует таковому у своего хозяина, и последующее несовпадение профилей использования кодонов , по-видимому, не является вредным. Поскольку все еще обнаруживаются новые микобактериофаги, не имеющие большого сходства ДНК с существующей коллекцией, и поскольку существует по крайней мере семь одиночных микобактерий, для которых не было выделено родственников, нам явно еще предстоит насытить разнообразие этой конкретной популяции. [ 9 ]
Коллекция из более чем 50 000 генов может быть разделена на более чем 3900 групп (так называемые семейства , т.е. семейства фаговых белков) в соответствии с их общими аминокислотными последовательностями. Большинство из этих семейств (~75%) не имеют гомологов за пределами микобактериофагов и имеют неизвестную функцию. Генетические исследования с использованием микобактериофага Джайлса показывают, что 45% генов не являются необходимыми для литического роста . [ 10 ]
По состоянию на май 2023 года на веб-сайте PhagesDB перечислено 12579 зарегистрированных микобактериофагов, 2257 из которых были секвенированы. Около трети секвенированных фагов попадают в кластер «А», содержащий L5. [ 11 ]
Таксономия
[ редактировать ]В соответствии с результатами кластеризации с помощью phageDB, микобактериофаги разделены на множество мест в дереве таксономии вирусов ICTV. Некоторые примеры:
- Фаг L5 и его родственники классифицируются как Fromanvirus . См. вирус микобактерии L5 . [ 12 ]
- ZoeJ и TM4 классифицируются как Timquatrovirus (названный в честь TM4). [ 13 ]
- Фаг «Корндог» классифицируется как Корндогвирус . [ 14 ]
Диапазон хостов
[ редактировать ]Анализ круга хозяев показывает, что не все микобактериофаги M. smegmatis инфицируют другие штаммы и только фаги кластера K и некоторых субкластеров кластера A эффективно инфицируют M.tuberculosis (рис. 1). [ 15 ] Однако мутанты могут быть легко выделены из некоторых фагов, которые расширяют круг своих хозяев и заражают другие штаммы. [ 15 ] Однако молекулярная основа круга хозяев зависит от поведения и присутствия конкретных генов. Это повышает вероятность корреляции между семействами генов и предпочтительным хозяином. [ 15 ]
Сферы микобактериофаговой инфекции до конца не изучены, поскольку она включает в себя различные механизмы, включая доступность рецепторов, рестрикционную модификацию, абортивную инфекцию и многое другое. Эти механизмы могут быть опосредованы несколькими процессами, такими как кластерные регуляторные интервалы между короткими палиндромными повторами (CRISPR) и модификациями трансляционного аппарата. Фаги преодолевают эти ограничения путем эволюции, спонтанной мутации и диверсификации. [ 15 ]
Геномная архитектура
[ редактировать ]Первым секвенированным геномом микобактериофага был геном микобактериофага L5 в 1993 году. [ 16 ] В последующие годы были секвенированы сотни дополнительных геномов. [ 3 ] Микобактериофаги имеют очень мозаичный геном. Последовательности их геномов свидетельствуют об обширном горизонтальном генетическом переносе 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 какой вклад фаги могут способствовать бактериальной патогенности . [ 17 ]
В 2009 году была выделена выборка из 60 микобактериофагов, их геномы секвенированы. Эти последовательности генома были сгруппированы в кластеры с помощью нескольких методов с целью определить сходство между фагами и изучить их генетическое разнообразие. Более половины видов фагов первоначально были обнаружены в Питтсбурге, штат Пенсильвания , или вблизи него , хотя другие были обнаружены в других местах США, Индии и Японии. В геномах видов микобактериофагов разного глобального происхождения не обнаружено четких различий. [ 18 ] 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. [ 18 ]
Приложения
[ редактировать ]Исторически микобактериофаги использовались для «типирования» (то есть «диагностики») микобактерий, поскольку каждый фаг инфицирует только один или несколько бактериальных штаммов. [ 19 ] В 1980-х годах фаги были открыты как инструменты для генетического манипулирования своими хозяевами. [ 20 ] Например, фаг TM4 был использован для создания челночных фазмид , которые реплицируются как большие космиды в Escherichia coli и как фаги в микобактериях. [ 21 ] Челночными фазмидами можно манипулировать в E. coli и использовать их для эффективного введения чужеродной ДНК в микобактерии. [ нужна ссылка ]
Фаги с микобактериальными хозяевами могут быть особенно полезны для понимания и борьбы с микобактериальными инфекциями у человека. Разработана система использования микобактериофага, несущего репортерный ген , для скрининга штаммов M.tuberculosis на устойчивость к антибиотикам. [ 22 ] В будущем микобактериофаг можно будет использовать для лечения инфекций путем фаготерапии . [ 23 ] [ 24 ]
В 2019 году сообщалось, что 15-летней девочке с муковисцидозом и диссеминированным M. abscessus subsp внутривенно вводили три микобактериофага два раза в день. массилиенсе, возникшая после трансплантации легких. [ 25 ] Пациент имел явную пользу от лечения, а лечение фагами в сочетании с антибиотиками было продлено на несколько лет. В 2022 году сообщалось, что два микобактериофага вводились внутривенно два раза в день молодому человеку с резистентным к лечению M. abscessus subsp. абсцесс легких и тяжелый муковисцидоз легких. [ 26 ] Культуры дыхательных путей на M. abscessus стали отрицательными примерно через 100 дней комбинированного лечения фагами и антибиотиками, а различные биомаркеры подтвердили терапевтический ответ. Пациенту был сделан двусторонний трансплантат легких через 379 дней лечения, и культуры эксплантированной легочной ткани подтвердили уничтожение бактерий. [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Падилья-Санчес V (24 июля 2021 г.), Структурная модель микобактериофага ZoeJ в атомном разрешении , doi : 10.5281/zenodo.5132914 , получено 24 июля 2021 г.
- ^ Манкевич Э. (сентябрь 1961 г.). «Микобактериофаги, выделенные от лиц с туберкулезными и нетуберкулезными состояниями». Природа . 191 (4796): 1416–1417. Бибкод : 1961Natur.191.1416M . дои : 10.1038/1911416b0 . ПМИД 14469307 . S2CID 4263411 .
- ^ Перейти обратно: а б с «База данных микобактериофагов» . Phagesdb.org . Проверено 4 сентября 2017 г.
- ^ Hatfull GF (13 октября 2010 г.). «Микобактериофаги: гены и геномы». Ежегодный обзор микробиологии . 64 (1): 331–356. дои : 10.1146/annurev.micro.112408.134233 . ПМИД 20528690 .
- ^ Поуп WH, Джейкобс-Сера Д., Рассел Д.А., Пиблз К.Л., Аль-Атраш З., Алкосер Т.А. и др. (январь 2011 г.). «Расширение разнообразия микобактериофагов: понимание архитектуры и эволюции генома» . ПЛОС ОДИН . 6 (1): e16329. Бибкод : 2011PLoSO...616329P . дои : 10.1371/journal.pone.0016329 . ПМК 3029335 . ПМИД 21298013 .
- ^ Гарднер Г.М., Вайзер Р.С. (октябрь 1947 г.). «Бактериофаг Mycobacterium smegmatis». Труды Общества экспериментальной биологии и медицины . 66 (1): 205–206. дои : 10.3181/00379727-66-16037 . ПМИД 20270730 . S2CID 20772051 .
- ^ Фроман С., Уилл Д.В., Боген Э. (октябрь 1954 г.). «Бактериофаг, активный в отношении вирулентных микобактерий туберкулеза. I. Выделение и активность» . Американский журнал общественного здравоохранения и здоровья нации . 44 (10): 1326–1333. дои : 10.2105/AJPH.44.10.1326 . ПМК 1620761 . ПМИД 13197609 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Hatfull GF (март 2014 г.). «Микобактериофаги: окна в туберкулёз» . ПЛОС Патогены . 10 (3): e1003953. дои : 10.1371/journal.ppat.1003953 . ПМЦ 3961340 . ПМИД 24651299 .
- ^ Дедрик Р.М., Маринелли Л.Дж., Ньютон Г.Л., Польяно К., Польяно Дж., Хэтфулл Г.Ф. (май 2013 г.). «Функциональные требования для роста бактериофагов: существенность и экспрессия генов в микобактериофаге Джайлза» . Молекулярная микробиология . 88 (3): 577–589. дои : 10.1111/mmi.12210 . ПМЦ 3641587 . ПМИД 23560716 .
- ^ «По родам хозяев: микобактерии» . База данных актинобактериофагов . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ «Таксономический браузер (фаг микобактерий L5)» . www.ncbi.nlm.nih.gov .
- ^ «Браузер таксономии (Timquatrovirus)» . www.ncbi.nlm.nih.gov .
- ^ «Браузер таксономии (Corndogvirus)» . www.ncbi.nlm.nih.gov .
- ^ Перейти обратно: а б с д Джейкобс-Сера Д., Маринелли Л.Дж., Боуман С., Бруссард Г.В., Герреро Бустаманте С., Бойл М.М. и др. (Программа морских фагов в области геномики и эволюционной науки Альянса научного образования «Охотники за фагами») (декабрь 2012 г.). «О природе разнообразия микобактериофагов и предпочтениях хозяев» . Вирусология . 434 (2): 187–201. дои : 10.1016/j.virol.2012.09.026 . ПМЦ 3518647 . ПМИД 23084079 .
- ^ Хэтфулл Г.Ф., Саркис Г.Дж. (февраль 1993 г.). «Последовательность ДНК, структура и экспрессия генов микобактериофага L5: фаговая система для генетики микобактерий». Молекулярная микробиология . 7 (3): 395–405. дои : 10.1111/j.1365-2958.1993.tb01131.x . ПМИД 8459766 . S2CID 10188307 .
- ^ Педулла М.Л., Форд М.Э., Хаутц Дж.М., Картикеян Т., Уодсворт С., Льюис Дж.А. и др. (апрель 2003 г.). «Происхождение сильно мозаичных геномов микобактериофагов» . Клетка . 113 (2): 171–182. дои : 10.1016/S0092-8674(03)00233-2 . ПМИД 12705866 . S2CID 14055875 .
- ^ Перейти обратно: а б Хэтфулл Г.Ф., Джейкобс-Сера Д., Лоуренс Дж.Г., Поуп В.Х., Рассел Д.А., Ко CC и др. (март 2010 г.). «Сравнительный геномный анализ 60 геномов микобактериофагов: кластеризация геномов, приобретение генов и размер генов» . Журнал молекулярной биологии . 397 (1): 119–143. дои : 10.1016/j.jmb.2010.01.011 . ПМЦ 2830324 . ПМИД 20064525 .
- ^ Джонс В.Д. (1975). «Отчет о фаготипировании 125 штаммов «Микобактерии туберкулеза» . Анналы раба; Журнал микробиологии и иммунологии . 17 (4): 599–604. ПМИД 820285 .
- ^ Джейкобс В.Р. младший, 2000. Микобактерия туберкулеза: когда-то генетически трудноизлечимый организм. В молекулярной Генетика микобактерий, под ред. Г.Ф. Хэтфулл, В.Р. Джейкобс-младший, стр. 1–16. Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press
- ^ Джейкобс В.Р., Такман М., Блум Б.Р. (1987). «Введение чужеродной ДНК в микобактерии с помощью челночной фазмиды». Природа . 327 (6122): 532–535. Бибкод : 1987Natur.327..532J . дои : 10.1038/327532a0 . ПМИД 3473289 . S2CID 9192407 .
- ^ Малви MC, Сакстедер К.А., Эйнк Л., Нэйси Калифорния (2012). «Создание новой репортерной системы на основе нуклеиновых кислот для выявления фенотипической чувствительности к антибиотикам у микобактерий туберкулеза» . мБио . 3 (2): e00312–11. дои : 10.1128/mBio.00312-11 . ПМК 3312217 . ПМИД 22415006 .
- ^ Данелишвили Л., Янг Л.С., Бермудес Л.Е. (2006). «Эффективность фаговой терапии in vivo при инфекции Mycobacterium avium, доставленной невирулентной микобактерией». Микробная лекарственная устойчивость . 12 (1): 1–6. дои : 10.1089/mdr.2006.12.1 . ПМИД 16584300 .
- ^ Макнерни Р., Траоре Х (2005). «Микобактериофаг и их применение для борьбы с болезнями». Журнал прикладной микробиологии . 99 (2): 223–233. дои : 10.1111/j.1365-2672.2005.02596.x . ПМИД 16033452 . S2CID 43134099 .
- ^ Дедрик Р.М., Герреро-Бустаманте К.А., Гарлена Р.А., Рассел Д.А., Форд К., Харрис К. и др. (май 2019 г.). «Инженерные бактериофаги для лечения больного диссеминированным лекарственно-устойчивым абсцессом Mycobacterium» . Природная медицина . 25 (5): 730–733. дои : 10.1038/s41591-019-0437-z . ПМК 6557439 . ПМИД 31068712 .
- ^ Ник Дж.А., Дедрик Р.М., Грей А.Л., Владар Е.К., Смит Б.Е., Фриман К.Г. и др. (май 2022 г.). «Реакция хозяина и патогена на бактериофаг, созданный против инфекции легких Mycobacterium abscessus» . Клетка . 185 (11): 1860–1874.e12. дои : 10.1016/j.cell.2022.04.024 . ПМК 9840467 . ПМИД 35568033 . S2CID 248755782 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]