Что в голове у бактериофага

На этой микрофотографии, сделанной при помощи криоэлектронного микроскопа, запечатлена икосаэдрическая головка бактериофага (вируса, поражающего бактерии) Т4. Т4 специализируется на энтеробактериях, в том числе на кишечной палочке (Escherichia coli). Это довольно крупный бактериофаг, его ширина составляет примерно 90 нм, а длина — 200 нм. Красные сгустки внутри головки на фото — это плотно упакованная ДНК. Собственно, кроме ДНК в головке фага ничего и нет, только белковая оболочка — капсид.

Геном фага Т4 огромен, он содержит 168 903 пар нуклеотидов — всего в 30 раз меньше, чем геном его хозяина, кишечной палочки Escherichia coli. Для сравнения, длина генома папилломавируса человека — 8000 пар нуклеотидов. Что же кодирует такая длинная ДНК бактериофага и как она вообще умещается в головку вируса?

Фаг Т4 — один из самых сложно устроенных вирусов. Он несет в своей ДНК около 300 белок-кодирующих генов, причем из них только 69 необходимы ему для выживания в стандартных условиях лаборатории. Большинство белков фага Т4 не похожи на известные белки других организмов. Но есть и такие, чьи родственники найдены у прокариот и эукариот. Функции многих белков этого вируса до сих пор не установлены, одна только головка состоит по крайней мере из 12 типов белков. Кроме белков, ДНК бактериофага кодирует несколько транспортных РНК и коротких регуляторных РНК — свойство, обычное для самостоятельных организмов, но не распространенное среди вирусов.

Модель бактериофага Т4, разными цветами показаны белки. От головки вируса отходит длинная трубка — белковый чехол хвоста. Снизу к чехлу прикреплена базальная пластинка с шипами (фиолетовая), от которой отходят «ножки» — фибриллярные нити, с их помощью вирус удерживается на бактерии. Когда бактериофаг закрепляется на клеточной стенке жертвы, чехол сокращается, находящийся внутри стержень пробивает стенку и впрыскивает нуклеиновую кислоту из головки внутрь клетки бактерии. Изображение с сайта prophage.blogspot.com

В ходе инфекции бактериофаг Т4 полностью переключает работу клеточных систем хозяина на свои нужды. В этом паразиту помогают собственные ферменты для синтеза нуклеотидов, репликации (удвоения) и репарации (починки от повреждений) ДНК и множество других белков. Например, у Т4 есть белок, который попадает в бактерию вместе с ДНК фага и на ранних этапах инфекции модифицирует РНК-полимеразу (основной белок транскрипции — «переписывания» генетической информации с ДНК на РНК) бактерии так, что фермент охотнее взаимодействует с ДНК вируса, чем с ДНК клетки. Это способствует синтезу белков, необходимых фагу в начале инфекции. Позже другой белок модифицирует полимеразу так, что она начинает охотнее взаимодействовать с генами фага Т4, нужными на следующем этапе. И наконец, после очередной модификации, РНК-полимераза бактерии начинает взаимодействовать с так называемыми «поздними» генами Т4.

Другой интересный пример — белок, который встраивается во внутреннюю мембрану клетки-хозяина (у кишечной палочки, как у любой уважающей себя грамотрицательной бактерии, есть две клеточные мембраны) и не дает генетической информации других бактериофагов попасть внутрь. Есть у Т4 и белки, разрезающие ДНК бактерии-хозяина и проникших в нее других бактериофагов. С ДНК Т4 эти белки они не связываются, поскольку в ее состав вместо нуклеотида цитозина входит модифицированный гидроксиметилцитозин.

Отдельного внимания заслуживают белки, необходимые для синтеза новых вирионов (вирусных частиц) и для упаковки в них ДНК. Более 40% белков фага Т4 вовлечены в сборку вириона, состоящего из головки и сокращающегося хвоста с хвостовыми нитями для прикрепления к бактерии. Вирион устроен так сложно, что у Т4 есть специальные «белки строительных лесов», создающие каркас для сборки головки и удаляющиеся из нее при созревании.

Пока точно не известно, каким образом настолько огромная молекула ДНК укладывается в вирусной головке. Зато известно, что она затаскивается внутрь действием белкового «мотора», что сопряжено с гидролизом «энергетической молекулы» — АТФ. Весь геном Т4 проталкивается в головку за пять минут.

Ученые уже пытаются «научить» Т4 упаковывать в свою головку чужеродные нуклеиновые кислоты или белки. Предполагают, что таким образом можно доставлять молекулярные грузы в конкретные эукариотические клетки.

Фото с сайта cgl.ucsf.edu.

О криоэлектронном микросопе см. также:
Нобелевская премия по химии — 2017, «Элементы», 12.10.2017.

О бактериофагах см. также:
Бактериофаги: 100 лет на службе человечеству, «Наука из первых рук» №4, 2016.
Пожиратели бактерий, «Популярная механика» №10, 2013.

Галина Клинк