Расшифровка природы лизогении

Несоответствие гипотезы «секреции» Нортропа фактам, установленным в 40-х годах Дельбрюком, привело к дискредитации не только этой гипо­тезы, но и самого феномена лизогении, задержав развитие этой проблемы на 10 лет. Изучение лизогении было возобновлено в 1949 г. в институте Пастера русским ученым Андрэ Львовым и А. Гутман. В 1950 г. они установили сохранение у единичных клеток лизогенного штамма бакте­рий в отсутствие бактериофага признака лизогенности в течение 19 гене­раций, доказав тем самым наследственную природу лизогении. Этот факт нельзя было отнести за счет адсорбированных частиц фага, так как в этом случае их число составило бы 2¹⁹ и они заняли бы объем, во много раз превышающий размеры клетки. Львов и Гутман раскрыли также ме­ханизм образования фага лизогенными бактериями, показав, что фаг всег­да выделяется только в результате лизиса клетки-хозяина.

В том же году А. Львов,Л. СиминовичиН. Кьелдгаард установили способность уль­трафиолетовых лучей индуцировать лизис лизогенных бактерий. В 1953 г. Львов создал унитарную концепцию лизогении, в которой он, так же как и ранее Бернет, объяснял все свойства лизогении бактерий наличием в них неинфекционного зачатка, названного им профагом (Нобелевская премия, 1965). Принципиально новым в гипотезе Львова является взгляд на профаг как генетический компонент фага, способный индуцироваться под дей­ствием ультрафиолетовых лучей. Профаг интегрирован в хромосому клетки и продуцируется в том случае, когда происходит разрыв слабой связи между профагом и бактериальной хромосомой. Все фаги по их способности вызывать продук­тивную или лизогенную реакцию он подразделяет на вирулентные и уме­ренные.

Экспериментальная проверка этой концепции стала возможна в ре­зультате открытия Эстер Ледерберг (1951) лизогенности у штамма К-12 Е.coli и выделением ею умеренного фага, названного лямбда. Это открытие создало основу для систематического изучения лизогении.

В 1951 г. В. Фримен обнаружил явление лизогенной конверсии — образование токсигенных штаммов дифтерийной палочки из нетоксигенных после контакта последних с умеренными дифтерийными фагами. Приобретение бактерией новых наследственных признаков в результате лизогенной конверсии было связано с внесением новой генетической информации фага, поскольку при утрате профага клетка теряет приобре­тенные признаки.

В 1952 г. Н. Циндер и Дж. Ледерберг открыли феномен трансдук­ции — направленного переноса умеренным фагом фрагмента хромосомы от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. При трансдукции происходит перенос одного из признаков бактериальной клетки—способности синтезировать какую-либо аминокислоту или сбраживать тот или иной углевод.

Феномен трансдукции явился важ­ным инструментом определения локализации генов в хромосомах бакте­рий и построения их генетических карт.

Четвертый период (с 1953 г.) характеризуется появлением новых на­правлений — молекулярной биологии и молекулярной генетики вирусов бактерий. Открытие генетической функции ДНК стимулировало исследо­вания ее структуры. Предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) модель строения молекулы ДНК в виде двойной спирали и установление принципа комплементарности ее оснований объяснили генетические свой­ства ДНК фагов — способность к репликации, мутированию и рекомби­нации.

Открытие фага фХ174, содержащего однонитчатую ДНК
(Р. Синсхеймер,1959) подтвердило уни­версальность полуконсервативного механизма репликации ДНК. Оказалось, что после проникновения в клетку одноцепочечной ДНК фага фХ174, так называемой «плюс»-цепи, на ней формируется комп­лементарная ей «минус»-цепь и в результате образуется двухцепочечная репликативная форма. «Минус»-цепь и служит матрицей для синтеза ин­формационной РНК фага фХ174 (Р. Синсхеймер, 1968).

В начале 60-х гг. было показано, что генетическая карта фага Т4 представляет собой кольцо.

Важное значение для развития молекулярной генетики вирусов бак­терий имели работы С. Бензера (1955), установившего тонкое строение гена rII фага Т4. Он показал, что этот ген состоит из двух функцио­нальных участков, названных им цистронами А и В, которые содержат по 10000—15000 нуклеотидов. Каждый цистрон состоит из большого числа единиц мутаций (мутонов) и рекомбинации (реконов). Мутон, по мнению автора, соответствует одному нуклеотиду, а рекон — шести.

Обнаружение в гене rII фага Т4 двух рядом расположенных цистронов привело к изменению представлений о природе гена. Вместо установленной биохимической генетикой зависимости «один ген — один фермент» получает признание формула «один ген — один полипептид», согласующаяся с данными о наличии в ряде актив­ных белков нескольких полипептидных цепей.

Работы Бензера способствовали решению проблемы генетического кода и познанию механизма мутаций. Именно используя область гена rII фага Т4 в качестве модели, Ф. Крик с соавторами (1961) установили общую природу записи генетической информа­ции о структуре белков и механизмы точечных мутаций.

В 1961 г. Н. Циндер и Т. Лёб открыли новый класс вирусов бакте­рий. Они выделили фаги fl и f2, размножающиеся только в мужских штаммах бактерий (F⁺ и Hfr). Подобное ограничение обусловлено тем,, что для адсорбции этих фагов необходимы F-пили, находящиеся только на поверхности мужских бактерий.

Фаг fl оказался мелким фагом, содержащим одноцепочечную ДНК, как и фаг фХ174. Но в отличие от последнего он содержит вдвое больше белка и имеет форму длинной изогнутой палочки. Механизм репликации ДНК фага fl такой же, как у фага срХ174.

Фаг fl отличается от всех вирусов бактерий способом его выделения из зараженной клетки-хозяина: секретирующие его клетки Е. coli продол­жают расти и размножаться, и никакого лизиса при этом не происходит. Так, спустя более 20 лет после того, как в опыте с одиночным циклом размножения фага было доказано высвобождение фагов только путем ли­зиса клетки, оказалось, что сторонники гипотезы «секреции» не так уж сильно ошибались.

Лёб и Циндер (1961) установили, что фаг f2 является мелкой сфери­ческой частицей, содержащей одноцепочечную РНК. Авторы показали, что в зараженных фагом f2 клетках РНК может находиться в двухцепочечной репликативной форме. Одноцепочечная родительская цепь РНК, так называемая «плюс»-цепь, используется в качестве матрицы для синтеза комплементарной «минус»-цепи; в резуль­тате образуется двухцепочечиая репликативная форма, «минус»-цепь ко­торой служит матрицей для синтеза «плюс»-цепей РНК. До окончания синтеза первой дочерней «плюс»-цепи на репликативной форме начинает­ся синтез второй, третьей, четвертой дочерних «плюс»-цепей. В итоге репликативная форма превращается в так называемый репликативный промежуточный продукт, состоящий из двухнитчатой РНК и нескольких однонитчатых РНК, процесс репродукции завершается лизисом клетки.

В 50-х годах тщательному изучению подвергся фаг лямбда. Во многих от­ношениях он оказался сходным с Т-четными фагами. Частица его состоит из головки и длинного отростка. Наибольший интерес представляет открытие «лип­ких концов»— одноцепочечных участков длиной в 20 нуклеотидов на каж­дом из 5'-концов ДНК фага (А. Херши, Е. Буржи, Л.Ингрем, 1963). Эти участки комплементарны и поэтому позволяют молекуле ДНК сверты­ваться в кольцо. ДНК внутриклеточного фага представляет собой замк­нутое ковалентной связью кольцо, образованное путем «скрепления» лип­ких концов (Е. Янг, Р. Синсхеймер, 1964). В 1967 г. P. By и А. Кайзер расшифровали нуклеотидную последовательность липких концов фага лямбда.

При созревании фаговых частиц кольцевая вегетативная ДНК «переку­сывается» ферментом по двум специфическим межнуклеотидным связям в разных полинуклеотидных цепях, что восстанавливает линейную струк­туру ДНК с липкими концами, которая и служит хромосомой для до­черних инфекционных фаговых частиц.

Была построена точная карта фага лямбда, на его модели изучены тонкие механизмы регуляции активности генов и интеграции генома фага в хромосому бактерии.