Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Граф фон Знак считает все бактериофаги
Помните ли вы графа фон Знака из детского сериала «Улица Сезам»? Этот кукольный вампир учит детей считать, и, честно говоря, у него это очень хорошо получается! Хотя дети и обожают смотреть по телевизору одержимую математикой куклу, оказывается, что умение считать является жизненно важным почти во всех аспектах нашей жизни. Математика представляет собой не только основу экономики и науки, но и является важнейшим инструментом для микробов, который помогает им принимать важные решения.
Но как организмы, которые по размеру меньше человеческого нейрона, могут считать? Эволюция подарила микроорганизмам самые разнообразные стратегии для счета, и в этой статье речь пойдет об одной из них. Сегодня, мы расскажем вам о способности бактериофага лямбда к счету.
Тема фагов уже освещалась ранее на нашем сайте, потому что их физиология является крайне интересной. Если рассказать о бактериофагах вкратце, то это вирусы, поражающие бактерии и археи. Они представляют собой чрезвычайно разнообразную группу микроорганизмов, и они обитают там где можно найти прокариоты. Одним из хорошо охарактеризованных фагов является лямбда, который инфицирует всем известную бактерию Escherichia coli (кишечная палочка).
Как и многие другие вирусы, бактериофаг лямбда имеет два пути размножения (Изображение 1). Литический цикл чаще всего ассоциируется со всеми знакомой вирусной инфекцией. Вирус проникает в клетку, захватывая ее молекулярные механизмы и производя свои копии, а затем — в определенный момент — разрывает клетку, высвобождая в окружающую среду сотни новых вирусов, готовые к новой инфекции. Второй путь заражения, лизогенный цикл, немного сложнее. Вирус проникает в клетку, но он не приступает сразу же к воспроизведению большего числа вирусных клеток. Вместо этого, фаг вставляет свой собственный геном, называемый профагом, в геном хозяина. Профаг является спящей версией вируса, который ждет пробуждения и перехода в стадию литического цикла. Откуда же тогда вирус знает, какой путь выбрать: литический или лизогенный? Похоже, что Тянью Яо и его коллеги немного приблизились к ответу на этот вопрос.
Учеными уже давно была представлена теория о том, что существует связь между количеством вирусных клеток и количеством клеток, которые будут инфицированы. Это теория утверждает, что соотношение вирусов и клеток определяет путь, по которому будет развиваться бактериофаг внутри клетки. Это означает, что несколько фагов, проникающие в клетку хозяина одновременно, запускают лизогенный путь развития. Данный феномен известен как множественность заражения. Логика этого аргумента достаточно проста: если несколько вирусов могут заразить одну клетку за раз, соотношение вирусов и клеток-жертв должно быть очень высоким. Поэтому, вирусу нет смысла производить еще больше своих же копий. Вместо этого, вирус предпочитает внедряться в геном хозяина, и ждать изменений в окружающей среде.
Аспект, который до сих пор оставался неясным, это то, как бактериофаг подсчитывает фактор множественности заражения, и как это может происходить одновременно с репликацией собственного вирусного генома. Чтобы решить эту загадку, исследовательская группа под руководством Тянью Яо решила определить уровни матричной РНК (мРНК) у трех вирусных генов, cI, cII, и cro, в клетках зараженной фагом E. coli. Эти три гена влияют друг на друга через сложные реакции биологической активации и репрессии (Изображение 2). Специфическое соотношение экспрессии одного гена к другому ведет либо к литическому, либо к лизогенному пути. Высокий уровень экспрессии cro ведет к литическому пути, в то время как высокий уровень экспрессии cI способствует лизогенному пути.
Чтобы исключить влияние саморепликации бактериофага, которая обычно начинается сразу после попадания в клетку хозяина, исследователи сначала протестировали версию бактериофага, который не способен к репликации. После заражения этим модифицированным фагом, они подсчитали количество вирусных геномов в одной клетке E. coli, а также количество мРНК трех представляющих интерес генов, чтобы увидеть, какое влияние фактор множественности заражения окажет на уровни мРНК, и, как следствие, траекторию вирусной инфекции.
На удивление, исследователи обнаружили, что экспрессия генов, связанная с литической траекторией (ген cro), никогда не увеличивалась до такой степени, чтобы развиваться по этому пути. Они заключили, что гены лизогенного пути активируются только с увеличением фактора множественности заражения. Примечательно, что фаги неспособные к саморепликации, не могли принять решение в пользу той или иной траектории при низком уровне множественности заражения.
Основываясь на собственных лабораторных результатах и на литературных данных, исследователи создали математические модели для описания поведения фагов способных и неспособных к саморепликации. Используя эту модель, исследователи показали, что клетка, зараженная ровно одним бактериофагом (множественность заражения = 1) ведет к литическому пути, в то время как любое другое значение множественности заражения запускает лизогенный цикл. Можно сказать, что фаг лямбда ведет себя противоположно большинству людей: он любит веселиться в одиночестве, но быстро теряет интерес, когда вокруг него есть компания.
Но в чем же причина такого поведения? Тянью Яо с исследовательской группой продемонстрировали тонкое взаимодействие биологической активации и репрессии различных областей промоутера (генетических элементов, которые способствуют транскрипции определенного гена), которые зависят от начального фактора множественности инфекции. Более высокий уровень стимулирует усиленную активацию гена cI, который, в свою очередь, подавляет транскрипцию гена cro (не забывайте, что высокие уровни cro ведут к литической траектории). Таким образом, вирусная инфекция развивается по лизогенному пути. Получается, что даже у самых маленьких и генетически простых существ на нашей планете присутствует сложная система распознавания себе подобных.
Однако, не стоит забывать, что усилия, предпринятые исследователями для поиска ответа на этот вопрос, также заслуживают аплодисментов. Данная работа показывает насколько далеко продвинулись современные технологии и насколько впечатляющими может быть сочетание данных технологий с вычислительными машинами. Даже Граф фон Знак был бы впечатлен такими математическими трюками!
Featured image: https://muppet.fandom.com/wiki/Count_von_Count?file=CountVonCount.png
Перевод был сделан: Марией Мартыновой
micro-bites.org 
