Фаги – вирусы бактерий
Фаги – это вирусы бактерий. Фаги были обнаружены Феликсом д’Эреллем из парижского Института Пастера в 1917 г. Стоит вспомнить, как были открыты фаги. Феликс д’Эрелль, самоучка, бесплатно работавший в Институте Пастера (он никогда не был штатным сотрудником института), заметил, что в чашке для культивирования некоторое количество бактериальных колоний неожиданно образовали светящееся кольцо. Причина возникновения такого кольца – лизированные бактерии. Из этой области д’Эрелль изолировал путем фильтрации бактериофаги или фаги – так он их назвал, поскольку считал, что в фильтрате находятся организмы, которые «поедают» (греч. phagein) бактерии. Открытие пенициллина произошло примерно так же. В этом случае бактериальные колонии были еще окружены прозрачными ореолами, что свидетельствовало об их гибели. Любопытно отметить: фаги и антибиотики до сих пор конкурируют друг с другом в том, что касается уничтожения бактерий. Д’Эрелль успешно уничтожил бактерию, вызывающую эпидемию диареи в Тунисе и других странах. Он подтвердил, что фаги неопасны, – пил фаг-содержащие растворы и не заболел. Он оказался прав. Химик Макс фон Петтенкофер тоже выпил содержимое стакана, полного холерных бактерий, чтобы доказать, что они безвредны. И хотя он был неправ, ему повезло, поскольку в стакане находились мертвые неактивные бактерии. Однако фаги д’Эрелля действительно были неопасны.
«Враг моего врага – мой друг». Неизвестно, руководствовался ли этим принципом д’Эрелль, но эта фраза бы вполне подошла. Уже в 1917 г. он сообщил, что фаги уничтожают бактерии. Он заметил, что бактерии, выделенные из образцов, полученных от солдат, переболевших дизентерией, исчезли в чашке с культурой, потому что там были фаги. Однако его коллеги-ученые не признали это открытие, поскольку не смогли воспроизвести полученные результаты, так как фаги и бактерии должны соответствовать друг другу, поскольку и те и другие характеризуются высокой селективностью и специализацией. Но это не относится к антибиотикам, которые неселективно ингибируют репликацию бактерий. Как правило, предварительное тестирование их эффективности не требуется. Их можно применять сразу же и легко использовать – принять таблетку без биологического тестирования. Вот многообещающие антибиотики и обошли фаги, разрушив надежды и планы д’Эрелля. Лечение антибиотиками полностью вытеснило фаговую терапию. На протяжении десятилетий фаги были исключены из исследований. Могу предположить, что в скором времени ситуация опять изменится из-за формирующейся у бактерий устойчивости к лекарствам, в силу чего для подбора нужного антибиотика требуется предварительное тестирование бактерий. Фаги ждет великое возвращение!
Фаги бактерии – рабочая лошадка фундаментальных исследований, были пронумерованы от типа 1 до типа 7. Было показано, что фаги способны связываться с поверхностью бактерий и вводить избранным бактериям свою ДНК, находящуюся на головке фага, через контрактильный хвост. На электронных микрограммах показаны фаги с симметричными головками и петлеобразными антеннами. Их внешний вид стал символом вирусов, несмотря на то, что не все вирусы выглядят одинаково. Существуют фаги, не имеющие хвостов или антенн. Кроме того, при подготовке фагов для электронной микроскопии антенны легко теряются. Честно говоря, было довольно трудно найти хорошие фотографии для этой книги. После попадания в бактерию у ДНК фага есть два варианта. Она может существовать в качестве эписомы вне бактериальной ДНК, часто в круглой форме, и реплицироваться там, обусловливая появление нескольких сотен потомков фагов и лизис бактерий. Или же ДНК фага может интегрироваться в хромосому хозяина – это безопасное место для вирусной ДНК, и обычно это безопасно для бактерии-хозяина. Такая ДНК, называемая ДНК профага, передается следующим поколениям бактерий. Много позже понятие «профаговая ДНК» использовал Хоуард Темин, но изменил его на «провирусную ДНК» для ретровирусов, которые также могут интегрироваться в качестве провирусной ДНК в хромосомы клетки-хозяина и передаваться следующим поколениям. Ретровирусы должны (заблаговременно) перенести генетический материал из РНК в ДНК, что является еще одним дополнительным шагом. Но и в остальном у фагов и ретровирусов много общего. Насколько же высок уровень консервативности на всем пути от фагов до ретровирусов! Это должно означать, что они родственны и этот механизм имеет серьезные преимущества с точки зрения эволюции.
У бактерий стресс может активировать «застывший» фаг и прекратить этот процесс, так называемое «умеренное» или лизогенное состояние. Затем ДНК фага выделяется из генома бактерии и происходит лизис бактерий – литическое состояние – высвобождение сотни новых потомков фагов. У млекопитающих (включая людей) существуют литические вирусы, которые ведут себя так же, за исключением ретровирусов, которые обычно покидают своего хозяина путем «отпочкования», не лизируя его.
Что подразумевает понятие «стресс» применительно к бактериям? Практически то же самое, что и для нас: нехватка питательных веществ, недостаточность пространства, слишком быстрый рост, слишком низкая или высокая температура, общее изменение окружающей среды. Можно даже сравнить бактерии и другие организмы, включая человека, в части, касающейся активации стрессовых факторов путем сигнализации. Сигналы передаются извне клеток и приводят к регуляции генов на уровне ДНК и генной экспрессии. Удаление репрессоров или включение активаторов может активировать лизис клеток или оказать иное воздействие на бактерии и клетку-хозяина.
В океане может наблюдаться избыточный рост водорослей вследствие попадания в морскую воду излишков питательных веществ, которыми удобряют близлежащие поля. Удобрения вымываются дождями или переносятся реками в океаны, где могут накапливаться. Высокая температура воздуха также может стимулировать рост водорослей. Если осенью плотность бактерий слишком высока, активизируются фаги, их число многократно увеличивается, и они лизируют своих хозяев-бактерии. Итак, спектакль окончен. Питательные вещества оседают на дне, где служат пищей для других организмов и используются повторно. Таким образом, фаги являются регуляторами пищевой цепочки и поставщиками питательных веществ для животных, обитающих в океанах; они регулируют плотность популяций бактерий и других организмов-хозяев. Фаги – специалисты по регулированию динамики популяций.
Соотношение фагов и бактерий составляет примерно 100 : 1, а по мере увеличения глубины доходит до 225 : 1. Фаги действуют специфически: лизируют «победителей» среди бактерий, поскольку именно их оказывается больше всего. Их девиз: «Убей победителя». Так обеспечивается видовое многообразие, поскольку фаги не дают победителям остаться единственными выжившими бактериями и «убрать со своего пути» менее «успешных» собратьев. И что довольно интересно, фаги дают шанс оставшимся в меньшинстве бактериям. Это может натолкнуть читателя на мысль о других сообществах.
Лизис поддерживается ферментами, называемыми лизозимами, которые можно применять в терапевтических целях. Исследователи – не только из Швейцарской технической школы Цюриха (ETH), но также из всех других стран – уже мобилизовали усилия, направленные на получение и использование этого лизирующего фермента в качестве истребителя бактерий. Кроме того, совсем недавно провели исследование бактерий в кишечнике человека на предмет роли умеренных и литических фагов. Количество лизированных бактерий и свободных фагов увеличивается по мере увеличения количества пищи, поскольку обильная пища не только приводит к ожирению, но и имеет те же последствия, что и удобрения, попавшие в Балтийское море! Это был один из результатов, полученных экспедицией Tara Oceans в разных океанах. Этот удивительный результат относится к самой мелкой и самой крупной экосистемам, кишечнику и океану.
Свои первые лекции в Институте молекулярной генетики Общества Макса Планка в Берлине я прочитала несколько десятилетий назад. В то время, в 1970-х гг., исследования фагов находились на пике. Один из директоров института, Хайнц Шустер, исследовал мир фагов, а я преподавала в области своей научной деятельности – читала курс по ретровирусам. Меня и по сей день удивляет степень сходства этих двух разных систем, двух, казалось бы, далеких друг от друга миров фагов и ретровирусов, что и является одним из доказательств эволюции их взаимоотношений. Есть ли у них общие предки? Состояли ли первоначально геномы фагов главным образом из РНК, как современные ретровирусы? Большинство фагов содержит более стабильные двуспиральные ДНК. Возможными причинами этого явления могут быть: скорость репликации, «прогресс» в эволюции от РНК к большему количеству ДНК (см. заключительную главу). Фаги не содержат обратных транскриптаз, и они их не используют, несмотря на то, что бактерии содержат невероятное количество обратных транскриптаз, которые легко могли бы транскрибировать потенциальные РНК фага в ДНК. Лишь недавно было установлено, что в бактериях присутствует огромное количество обратных транскриптаз, и никто не представляет себе, что они там делают. Для меня как специалиста по обратной транскриптазе это было особенно удивительно, но это совершенно новая информация. Действительно ли в процессе эволюции ретрофаги предшествовали ДНК-содержащим фагам? Я знаю только один одиночный «ретрофаг», содержащий ген обратной транскриптазы, – фаг бактерии (он вызывает сильный кашель у детей, что пугает молодых матерей). У него даже нет названия. Обратная транскриптаза фага способна модифицировать рецептор на входе в клетку и обусловливает образование большого количества дополнительных типов бактерий-хозяев – это интересный инновационный этап «ненадежной» ОТ (что и обусловило развитие более широкого спектра организмов-хозяев).
Меня до сих пор удивляет то, что ни на одном симпозиуме по фагам не обсуждались ретровирусы. Но также верно и обратное: ретровирусологи «ничего не знают» о фагах. На конференциях по ретровирусам мне никогда не приходилось видеть тезисы докладов по фагам, и (за исключением моего доклада, к которому организаторы отнеслись сдержанно!). Сначала исследователи фагов опережали ретровирусологов, но сейчас ситуация изменилась. Ретровирус ВИЧ – самый широкоисследуемый вирус. А о фагах практически забыли. Но однажды – думаю, это произойдет в скором времени – интерес к фагам возобновится и, возможно, они нас спасут. Отчет об их применении в отдельном случае и некоторые рассуждения на эту тему приведены ниже.
