Размножение бактериофагов

Жизненный цикл фага Т4 стал классическим примером онтогенеза вирусов. Эксперимент, впервые проведенный Эмори Эллис и Максом Дельбрюком, позволил установить общую последовательность событий. Растущие клетки Е. coli заражали фагом Т4 так, что в среднем на одну клетку приходилось по одной фаговой частице. В течение двух-трех минут инкубации большинство фагов адсорбировалось на клетках. Все неадсорбировавшиеся фаги затем инактивировали, добавляя антифаговую сыворотку. Через несколько минут после этого культуру разбавляли в несколько сот раз питательной средой для того, чтобы понизить концентрацию антител и предупредить инактивацию фагового потомства. Через определенные промежутки времени в пробах инфицированной культуры определяли концентрацию инфицирующих единиц, высевая на чашки с индикаторными бактериями и подсчитывая число стерильных пятен (негативных колоний) на газоне. Результаты графически представлены на рис. 7.1, А. В течение первых 24 мин после прикрепления фага к клетке число инфицирующих единиц в культуре оставалось постоянным. В этот период каждая негативная колония образовывалась отдельной инфицированной клеткой, из которой потомство фага выходило после того, как клетка оказывалась на поверхности агара. По прошествии этих 24 мин число инфицирующих единиц в культуре начинает

Рис. 7.1. Жизненный цикл фага Т4. А. Одиночный цикл развития фага Т4. Б. Внутриклеточное развитие фага Т4. [По A. H. Doermann, (1952). J. Gen. Physiol, 35, 645.]

192 Организация и передача генетического материала

Рис. 7.2. К сборке фаговых частиц ведут четыре независимые цепи событий, сливающиеся в самом конце этого процесса. Числами указаны продукты фаговых генов, о которых известно, на каком именно этапе они функционируют. [Wood W.B. (1973). In: Genetic Mechanisms of Development (F. H. Ruddle, éd.), Academic Press, New York.]

7. Геном вируса 193

расти, поскольку некоторые клетки лизируются и высвобождают содержащиеся в них фаги. К 30-й мин почти все инфицированные клетки уже разрушены. Число инфицирующих единиц к концу эксперимента примерно в 100 раз превышает число инфицированных клеток. Из каждой клетки выходит около 100 потомков фага.

Ясно, что существенные для размножения фага Т4 события происходят в течение латентного периода (рис. 7.1, А), предшествующего высвобождению потомства из инфицированных клеток. Количество фаговых частиц внутри клеток можно определить, искусственно лизируя инфицированные клетки в различные моменты латентного периода. Результаты такой процедуры представлены графически на рис. 7.1, Б. Обратите внимание на то, что в первые 10-11 мин после адсорбции родительских фагов на бактериальной клетке инфицирующих единиц в клетках не обнаруживается вовсе. Этот промежуток называется скрытым периодом. Даже родительские фаги в зараженных клетках утрачивают инфицирующую способность. По прошествии 11 мин в некоторых клетках начинают появляться фаговые частицы, способные заражать бактериальные клетки, и к 14-й мин в каждой клетке содержится в среднем по одной фаговой частице. Затем число таких фагов внутри клеток быстро растет в оставшееся до конца латентного периода время и достигает насыщения в период лизиса клеток. Этот эксперимент показывает, что фаги не просто делятся, как это делают бактерии; механизм их размножения был раскрыт в эксперименте Херши—Чейза, описанном в гл. 4.

Морфогенетические события, происходящие в скрытом периоде, были исследованы посредством наблюдения инфицированных клеток под электронным микроскопом и методами генетического анализа (рис. 7.2). На рисунке видно, что существуют четыре отдельные последовательности событий, которые все вместе приводят к сборке фага. Во-первых, репликация родительской ДНК инфицировавшего клетку фага приводит к наработке пула ДНК фага Т4. Во-вторых, ДНК управляет синтезом многочисленных белков, необходимых для морфогенеза головки фага (капсида), хвостового отростка и его нитей (фибрилл).

Синтез головки фага завершается упаковкой в нее молекулы ДНК. Затем к головке прикрепляется уже собранный отросток. И наконец, к отростку крепятся нити, и сборка фага завершена. Изображенная на рис. 7.2 детальная последовательность событий на каждом этапе была расшифрована посредством генетического анализа мутаций, влияющих на развитие фага Т4. В этой главе мы расскажем о том, как генетический анализ помогает понять устройство и работу вирусного генома.