Fago lambda
Bacteriófago que infecta a Escherichia coli
Virus de Escherichia Lambda
Micrografía electrónica de una partícula de virus de la especie Escherichia virus Lambda
Clasificación de virus Editar esta clasificación
(sin clasificar):Virus
Reino :Duplodnaviria
Reino:Virus de Heunggong
Filo:Uroviricóta
Clase:Caudoviricetes
Orden:Caudovirus
Familia:Sifoviridae
Género:Virus lambda
Especies:
Virus de Escherichia Lambda
Modelo estructural del bacteriófago Lambda con resolución atómica [1]

El fago enterobacteriano λ ( fago lambda , colifago λ , oficialmente virus Escherichia Lambda ) es un virus bacteriano, o bacteriófago , que infecta a la especie bacteriana Escherichia coli ( E. coli ). Fue descubierto por Esther Lederberg en 1950. [2] El tipo salvaje de este virus tiene un ciclo de vida templado que le permite residir dentro del genoma de su huésped a través de la lisogenia o entrar en una fase lítica , durante la cual mata y lisa la célula para producir descendencia. Las cepas Lambda, mutadas en sitios específicos, no pueden lisogenizar las células; en cambio, crecen y entran en el ciclo lítico después de superinfectar una célula ya lisogenizada. [3]

La partícula del fago consta de una cabeza (también conocida como cápside ) , [4] una cola y fibras de la cola (ver imagen del virus a continuación). La cabeza contiene el genoma de ADN lineal de doble cadena del fago . Durante las infecciones, la partícula del fago reconoce y se une a su anfitrión, E. coli , lo que hace que el ADN en la cabeza del fago sea expulsado a través de la cola hacia el citoplasma de la célula bacteriana. Por lo general, se produce un " ciclo lítico ", donde el ADN lambda se replica y se producen nuevas partículas de fago dentro de la célula. A esto le sigue la lisis celular , liberando el contenido celular, incluidos los viriones que se han ensamblado, al medio ambiente. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, el ADN del fago puede integrarse en el cromosoma de la célula huésped en la vía lisogénica . En este estado, el ADN λ se llama profago y permanece residente dentro del genoma del huésped sin daño aparente para el huésped. El huésped se denomina lisógeno cuando hay un profago presente. Este profago puede entrar en el ciclo lítico cuando el lisógeno entra en una condición de estrés.

Anatomía

El virión del bacteriófago lambda
Esquema del virión del bacteriófago lambda. Se muestran los nombres de las proteínas y sus números de copias en la partícula del virión. La presencia de las proteínas L y M en el virión aún no está clara. [5]

La partícula viral consta de una cabeza y una cola que puede tener fibras en la cola. La partícula completa consta de 12 a 14 proteínas diferentes con más de 1000 moléculas de proteína en total y una molécula de ADN ubicada en la cabeza del fago. Sin embargo, aún no está completamente claro si las proteínas L y M son parte del virión. [5] Todos los fagos lambdoides caracterizados poseen un mecanismo de antiterminación de la transcripción mediado por la proteína N, con la excepción del fago HK022. [6]

Disposición lineal del genoma del fago lambda con los principales operones, regiones promotoras y genes codificantes de la cápside. [5]

El genoma contiene 48.502 [7] pares de bases de ADN lineal de doble cadena, con segmentos monocatenarios de 12 bases en ambos extremos 5'. [8] Estos dos segmentos monocatenarios son los "extremos pegajosos" de lo que se denomina el sitio cos . El sitio cos hace circular el ADN en el citoplasma del huésped. En su forma circular, el genoma del fago, por lo tanto, tiene una longitud de 48.502 pares de bases. [8] El genoma lambda se puede insertar en el cromosoma de E. coli y luego se lo denomina profago. Consulte la sección a continuación para obtener más detalles.

La cola de los fagos lambda está formada por al menos 6 proteínas (H, J, U, V, Stf, Tfa) y requiere 7 más para su ensamblaje (I, K, L, M, Z, G/T). Este proceso de ensamblaje comienza con la proteína J, que luego recluta las proteínas I, L, K y G/T para agregar la proteína H. Una vez que G y G/T abandonan el complejo, la proteína V puede ensamblarse en el andamiaje J/H. Luego, la proteína U se agrega al extremo proximal de la cabeza de la cola. La proteína Z puede conectar la cola a la cabeza. La proteína H se escinde debido a las acciones de las proteínas U y Z. [5]

Ciclo vital

Infección

Interacción de la proteína J del fago Lambda con la porina LamB

El fago lambda es un fago con cola no contráctil, lo que significa que durante un evento infeccioso no puede "forzar" su ADN a atravesar la membrana celular bacteriana. En cambio, debe utilizar una vía existente para invadir la célula huésped, ya que ha desarrollado la punta de su cola para interactuar con un poro específico y permitir la entrada de su ADN al huésped.

  1. El bacteriófago Lambda se une a una célula de E. coli por medio de su proteína J en la punta de la cola. La proteína J interactúa con la porina de la membrana externa de maltosa (el producto del gen lamB ) de E. coli , [9] una molécula de porina, que forma parte del operón maltosa .
  2. El genoma del fago lineal se inyecta a través de la membrana externa.
  3. El ADN pasa a través del complejo de permeasa de manosa en la membrana interna [10] [11] (codificado por los genes manXYZ) e inmediatamente se circulariza utilizando los sitios cos , "extremos pegajosos" cohesivos ricos en GC de 12 bases. Los extremos del ADN viral monocatenario son ligados por la ligasa del ADN del huésped . No se aprecia generalmente que los extremos cohesivos lambda de 12 pb fueron el tema de la primera secuenciación directa de nucleótidos de un ADN biológico. [6]
Inyección de ADN del fago lambda en la membrana celular utilizando la permeasa PTS de manosa (un sistema de transporte de azúcar) como mecanismo de entrada al citoplasma
  1. La ADN girasa del huésped coloca superenrollamientos negativos en el cromosoma circular, lo que hace que las regiones ricas en AT se desenrollen e impulsen la transcripción.
  2. La transcripción comienza a partir de los promotores constitutivos P L , P R y P R' que producen las transcripciones "tempranas inmediatas". Al principio, estas expresan los genes N y cro , produciendo N, Cro y una proteína inactiva corta.
Eventos de activación temprana que involucran la proteína N
  1. Cro se une a OR3 , impidiendo el acceso al promotor P RM , impidiendo la expresión del gen cI . N se une a los dos sitios Nut (utilización de N), uno en el gen N en el marco de lectura P L y uno en el gen cro en el marco de lectura P R.
  2. La proteína N es un antiterminador y funciona al activar la ARN polimerasa transcriptora en sitios específicos del ARNm recién transcrito. Cuando la ARN polimerasa transcribe estas regiones, recluta a N y forma un complejo con varias proteínas Nus del huésped. Este complejo se salta la mayoría de las secuencias de terminación. Las transcripciones extendidas (las transcripciones "tempranas tardías") incluyen los genes N y cro junto con los genes cII y cIII , y los genes xis , int , O , P y Q , que se analizan más adelante.
  3. La proteína cIII actúa para proteger a la proteína cII de la proteólisis por FtsH (una proteasa esencial de E. coli unida a la membrana ) actuando como un inhibidor competitivo. Esta inhibición puede inducir un estado bacteriostático , que favorece la lisogenia. La cIII también estabiliza directamente la proteína cII. [12]

En la infección inicial, la estabilidad de la cII determina el estilo de vida del fago; la cII estable conducirá a la vía lisogénica, mientras que si la cII se degrada, el fago entrará en la vía lítica. Se sabe que la baja temperatura, la inanición de las células y la alta multiplicidad de infección (MOI) favorecen la lisogenia (véase el análisis posterior). [13]

N antiterminación

La antiterminación requiere el ensamblaje de un gran complejo de ribonucleoproteína para prolongar eficazmente el proceso de antiterminación; sin el complejo completo, la ARN polimerasa solo puede eludir un único terminador [14].

Esto ocurre sin que la proteína N interactúe con el ADN; la proteína, en cambio, se une al ARNm recién transcrito. Los sitios Nut contienen 3 "cajas" conservadas, de las cuales solo la caja B es esencial.

  1. Las secuencias de ARN de la proteína boxB se encuentran cerca del extremo 5' de las transcripciones pL y pR. Cuando se transcriben, cada secuencia forma una estructura en forma de horquilla a la que se puede unir la proteína N.
  2. La proteína N se une a la proteína boxB en cada transcripción y entra en contacto con la ARN polimerasa que la transcribe a través de un bucle de ARN. El complejo N-RNAP se estabiliza mediante la unión posterior de varias proteínas hospedadoras Nus (sustancia de utilización de N) (que incluyen factores de terminación/antiterminación de la transcripción y, curiosamente, una subunidad de ribosoma).
  3. Todo el complejo (incluido el sitio Nut unido al ARNm) continúa la transcripción y puede saltar secuencias de terminación.

Ciclo de vida lítico

Placas de lisis del fago lambda en la bacteria E. coli

Este es el ciclo de vida que sigue el fago después de la mayoría de las infecciones, donde la proteína cII no alcanza una concentración suficientemente alta debido a la degradación, por lo que no activa a sus promotores. [ cita requerida ]

  1. Las transcripciones 'late early' continúan escribiéndose, incluyendo xis , int , Q y genes para la replicación del genoma lambda ( OP ). Cro domina el sitio represor (ver sección "Represor"), reprimiendo la síntesis del promotor P RM (que es un promotor del ciclo lisogénico).
  2. Las proteínas O y P inician la replicación del cromosoma del fago (ver "Replicación lítica").
  3. Q, otro antiterminador , se une a los sitios Qut .
  4. La transcripción del promotor P R' ahora puede extenderse para producir ARNm para la lisis y las proteínas de cabeza y cola.
  5. Las proteínas estructurales y los genomas de los fagos se autoensamblan en nuevas partículas de fagos.
  6. Los productos de los genes S , R , Rz y Rz1 causan la lisis celular. S es una holina , una pequeña proteína de membrana que, en un momento determinado por la secuencia de la proteína, de repente hace agujeros en la membrana. R es una endolisina , una enzima que escapa a través de los agujeros de S y escinde la pared celular. Rz y Rz1 son proteínas de membrana que forman un complejo que de alguna manera destruye la membrana externa, después de que la endolisina haya degradado la pared celular. Para lambda de tipo salvaje, la lisis ocurre aproximadamente 50 minutos después del inicio de la infección y libera alrededor de 100 viriones.

Transcripción hacia la derecha

La transcripción hacia la derecha expresa los genes O , P y Q. O y P son responsables de iniciar la replicación, y Q es otro antiterminador que permite la expresión de los genes de cabeza, cola y lisis de P R' . [6]

Pr es el promotor de la transcripción hacia la derecha y el gen cro es un gen regulador. El gen cro codificará la proteína Cro que luego reprimirá al promotor Prm. Una vez que la transcripción Pr está en marcha, el gen Q se transcribirá en el extremo más alejado del operón para la transcripción hacia la derecha. El gen Q es un gen regulador que se encuentra en este operón, que controlará la expresión de genes posteriores para la transcripción hacia la derecha. Una vez que las proteínas reguladoras del gen permiten la expresión, la proteína Q actuará como un antiterminador. Esto permitirá que el resto del operón se lea hasta que alcance el terminador de la transcripción. Permitiendo así la expresión de genes posteriores en el operón y conduciendo a la expresión del ciclo lítico. [15]

Se ha descubierto que el promotor Pr activa el origen en el uso de la transcripción hacia la derecha, pero todavía no se entiende bien el panorama completo. Hay algunas salvedades al respecto, por ejemplo, este proceso es diferente para otros fagos, como el fago N15, que puede codificar la ADN polimerasa. Otro ejemplo es que el fago P22 puede reemplazar el gen p, que codifica una proteína de replicación esencial, por algo que es capaz de codificar hélices DnaB. [6]

Replicación lítica

  1. Durante los primeros ciclos de replicación, el genoma lambda experimenta una replicación θ (de círculo a círculo).
  2. Esto se inicia en el sitio ori ubicado en el gen O. La proteína O se une al sitio ori y la proteína P se une a la subunidad DnaB de la maquinaria de replicación del huésped, además de unirse a O. Esto controla eficazmente la ADN polimerasa del huésped.
  3. Pronto, el fago cambia a una replicación de círculo rodante similar a la utilizada por el fago M13. El ADN se corta y el extremo 3' sirve como cebador. Tenga en cuenta que esto no libera copias individuales del genoma del fago, sino una molécula larga con muchas copias del genoma: un concatémero .
  4. Estos concatémeros se escinden en sus sitios cos a medida que se empaquetan. El empaquetamiento no puede ocurrir a partir del ADN de fago circular, solo a partir del ADN concatémero.

Q antiterminación

La proteína Q modifica la ARN polimerasa en la región promotora y es reclutada por la ARN polimerasa. La proteína Q se convierte en una subunidad de la ARN polimerasa después de ser reclutada por la ARN polimerasa y modifica la enzima a un estado procesivo. Nótese que NusA puede estimular la actividad de la proteína Q. [14]

Q es similar a N en su efecto: Q se une a la ARN polimerasa en los sitios Qut y el complejo resultante puede ignorar los terminadores, sin embargo el mecanismo es muy diferente; la proteína Q primero se asocia con una secuencia de ADN en lugar de una secuencia de ARNm. [16]

  1. El sitio Qut está muy cerca del promotor P R' , lo suficientemente cerca como para que el factor σ no haya sido liberado de la holoenzima ARN polimerasa. Parte del sitio Qut se parece a la caja Pribnow -10 , lo que hace que la holoenzima se detenga.
  2. Luego, la proteína Q se une y desplaza parte del factor σ y se reinicia la transcripción.
  3. Los genes de la cabeza y la cola se transcriben y las proteínas correspondientes se autoensamblan.

Transcripción hacia la izquierda

Diagrama que muestra el proceso de retroregulación que produce una mayor concentración de xis en comparación con int. La transcripción de ARNm es digerida por la ARNasa bacteriana a partir del bucle de horquilla escindido en sib.

La transcripción hacia la izquierda expresa los genes gam, xis , bar e int . [6] Las proteínas Gam están involucradas en la recombinación. Gam también es importante porque inhibe a la nucleasa RecBCD del huésped de degradar los extremos 3' en la replicación en círculo rodante. Int y xis son proteínas de integración y escisión vitales para la lisogenia. [ cita requerida ]

Proceso de transcripción hacia la izquierda
  1. El fago lambda inserta un cromosoma en el citoplasma de la célula bacteriana huésped.
  2. El cromosoma del fago se inserta en el cromosoma bacteriano huésped a través de la ADN ligasa.
  3. La transcripción del cromosoma del fago avanza hacia la izquierda cuando la ARN polimerasa del huésped se une al sitio promotor p L, lo que da como resultado la traducción del gen N.
    1. El gen N actúa como un gen regulador que hace que la ARN polimerasa sea incapaz de reconocer los sitios de terminación de la traducción. [17]
Mutaciones de transcripción hacia la izquierda

Se cree que la transcripción hacia la izquierda da como resultado una mutación por deleción del gen rap que provoca la falta de crecimiento del fago lambda. Esto se debe a que la ARN polimerasa se une al sitio promotor pL en lugar del sitio promotor pR. La transcripción hacia la izquierda da como resultado la transcripción bar I y bar II en el operón izquierdo. El fenotipo bar positivo está presente cuando el gen rap está ausente. Se cree que la falta de crecimiento del fago lambda se debe a una sensibilidad a la temperatura que provoca la inhibición del crecimiento. [18]

xis e int regulación de inserción y escisión
  1. Xis e int se encuentran en el mismo fragmento de ARNm, por lo que se producen concentraciones aproximadamente iguales de proteínas xis e int . Esto da como resultado (inicialmente) la escisión de cualquier genoma insertado del genoma del huésped.
  2. El ARNm del promotor P L forma una estructura secundaria estable con un tallo-bucle en la sección sib del ARNm. Esto dirige el extremo 3' ( sib ) del ARNm para la degradación por la ARNasa III, lo que da como resultado una concentración efectiva menor de ARNm int que de ARNm xis (ya que el cistrón int está más cerca de la secuencia sib que el cistrón xis de la secuencia sib ), por lo que se observa una concentración mayor de xis que de int .
  3. Concentraciones más altas de xis que de int dan como resultado que no haya inserción o escisión de genomas de fagos, la acción favorecida evolutivamente: dejar insertados todos los genomas de fagos previamente insertados (lo que reduce la competencia) y evitar la inserción del genoma del fago en el genoma de un huésped condenado.

Ciclo de vida lisogénico (o lisenogénico)

El ciclo de vida lisogénico comienza una vez que la proteína cI alcanza una concentración lo suficientemente alta como para activar sus promotores, después de una pequeña cantidad de infecciones.

  1. Las transcripciones 'tempranas tardías' continúan escribiéndose, incluyendo xis , int , Q y los genes para la replicación del genoma lambda.
  2. El cII estabilizado actúa para promover la transcripción de los promotores P RE , P I y P antiq .
  3. El promotor P antiq produce ARNm antisentido para el mensaje del gen Q del transcrito del promotor P R , desactivando así la producción de Q. El promotor P RE produce ARNm antisentido para la sección cro del transcrito del promotor P R , desactivando la producción de cro, y tiene un transcrito del gen cI . Este se expresa, activando la producción del represor cI. El promotor P I expresa el gen int , lo que da como resultado altas concentraciones de proteína Int. Esta proteína int integra el ADN del fago en el cromosoma del huésped (ver "Integración del profago").
  4. La ausencia de Q no da como resultado la extensión del marco de lectura del promotor P R' , por lo que no se producen proteínas líticas ni estructurales. Los niveles elevados de int (mucho más altos que los de xis) dan como resultado la inserción del genoma lambda en el genoma del huésped (ver diagrama). La producción de cI conduce a la unión de cI a los sitios OR1 y OR2 en el promotor P R , desactivando la expresión de cro y otros genes tempranos. cI también se une al promotor P L , desactivando allí también la transcripción.
  5. La falta de cro deja el sitio OR3 sin unir, por lo que puede ocurrir la transcripción del promotor P RM , manteniendo los niveles de cI.
  6. La falta de transcripción de los promotores P L y P R conduce a la no producción adicional de cII y cIII.
  7. A medida que disminuyen las concentraciones de cII y cIII, la transcripción de P antiq , P RE y P I deja de promoverse ya que ya no son necesarias.
  8. Sólo los promotores P RM y P R' permanecen activos, el primero produce la proteína cI y el segundo una transcripción corta inactiva. El genoma permanece insertado en el genoma del huésped en un estado latente.

El profago se duplica con cada división celular posterior del huésped. Los genes del fago expresados ​​en este estado latente codifican proteínas que reprimen la expresión de otros genes del fago (como los genes estructurales y de lisis) para evitar la entrada en el ciclo lítico. Estas proteínas represivas se descomponen cuando la célula huésped está bajo estrés, lo que da como resultado la expresión de los genes del fago reprimidos. El estrés puede deberse a la inanición , venenos (como los antibióticos ) u otros factores que pueden dañar o destruir al huésped. En respuesta al estrés, el profago activado es escindido del ADN de la célula huésped por uno de los productos genéticos recién expresados ​​y entra en su vía lítica.

Integración de profagos

La integración del fago λ tiene lugar en un sitio de unión especial en los genomas bacteriano y fágico, llamado att λ . La secuencia del sitio att bacteriano se llama attB , entre los operones gal y bio , y consta de las partes BOB', mientras que la secuencia complementaria en el genoma circular del fago se llama attP y consta de las partes POP'. La integración en sí es un intercambio secuencial (véase recombinación genética ) a través de una unión de Holliday y requiere tanto la proteína del fago Int como la proteína bacteriana IHF ( factor de integración del huésped ). Tanto Int como IHF se unen a attP y forman un intasoma, un complejo de proteína-ADN diseñado para la recombinación específica del sitio del fago y el ADN del huésped. La secuencia original BOB' se cambia por la integración a BOP'-ADN del fago-POB'. El ADN del fago ahora es parte del genoma del huésped. [19]

Mantenimiento de la lisogenia

Una representación simplificada del paradigma de integración/escisión y los principales genes involucrados.
  • La lisogenia se mantiene únicamente gracias a cI. cI reprime la transcripción de P L y P R mientras regula positivamente y controla su propia expresión de P RM . Por lo tanto, es la única proteína expresada por el fago lisogénico.
Los represores de lisógeno y la polimerasa se unen a OR1 y reclutan OR2, que activará PRM y apagará PR.
  • Esto está coordinado por los operadores P L y P R. Ambos operadores tienen tres sitios de unión para cI: OL1 , OL2 y OL3 para P L , y OR1 , OR2 y OR3 para P R.
  • cI se une más favorablemente a OR1 ; la unión aquí inhibe la transcripción de P R . Como cI dimeriza fácilmente, la unión de cI a OR1 aumenta en gran medida la afinidad de la unión de cI a OR2 , y esto sucede casi inmediatamente después de la unión de OR1 . Esto activa la transcripción en la otra dirección desde P RM , ya que el dominio N terminal de cI en OR2 aprieta la unión de la ARN polimerasa a P RM y, por lo tanto, cI estimula su propia transcripción. Cuando está presente en una concentración mucho más alta, también se une a OR3 , inhibiendo la transcripción de P RM , regulando así sus propios niveles en un ciclo de retroalimentación negativa .
  • La unión de cI al operador P L es muy similar, excepto que no tiene un efecto directo sobre la transcripción de cI. Sin embargo, como represión adicional de su propia expresión, los dímeros de cI unidos a OR3 y OL3 doblan el ADN entre ellos para tetramerizarlo.
  • La presencia de cI provoca inmunidad a la sobreinfección por otros fagos lambda, ya que inhibirá sus promotores P L y P R.

Inducción

Estado transcripcional de las regiones promotoras P RM y P R durante un estado lisogénico vs un estado lítico temprano inducido.

La inducción clásica de un lisógeno implicaba irradiar las células infectadas con luz ultravioleta. Cualquier situación en la que un lisógeno sufra daños en el ADN o en la que se estimule de algún modo la respuesta SOS del huésped conduce a la inducción.

  1. La célula huésped, que contiene un genoma de fago latente, experimenta daños en el ADN debido a un entorno de alto estrés y comienza a experimentar la respuesta SOS .
  2. RecA (una proteína celular) detecta daños en el ADN y se activa. Ahora es RecA*, una coproteasa altamente específica.
  3. Normalmente, RecA* se une a LexA (un represor de la transcripción ), lo que activa la actividad de la autoproteasa LexA, que destruye el represor LexA y permite la producción de proteínas reparadoras del ADN . En las células lisogénicas, esta respuesta se ve secuestrada y RecA* estimula la autoescisión de cI. Esto se debe a que cI imita la estructura de LexA en el sitio de autoescisión.
  4. El cI escindido ya no puede dimerizarse y pierde su afinidad por la unión al ADN.
  5. Los promotores PR y PL ya no están reprimidos y se activan, y la célula vuelve a la secuencia lítica de eventos de expresión ( nótese que cII no es estable en células que experimentan la respuesta SOS). Sin embargo, hay una diferencia notable.
Función de LexA en la respuesta SOS. La expresión de LexA conduce a la inhibición de varios genes, incluido LexA.

Control de la escisión del genoma del fago en la inducción

  1. El genoma del fago todavía está insertado en el genoma del huésped y necesita ser escindido para que se produzca la replicación del ADN. Sin embargo, la sección sib que se encuentra más allá de la transcripción del promotor PL normal ya no está incluida en este marco de lectura (ver diagrama).
  2. La ausencia de un dominio sib en el ARNm del promotor P L da como resultado que no haya un bucle de horquilla en el extremo 3' y la transcripción ya no es objeto de degradación por la ARNasa III.
  3. La nueva transcripción intacta tiene una copia de xis e int , por lo que se producen concentraciones aproximadamente iguales de proteínas xis e int.
  4. Concentraciones iguales de xis e int dan como resultado la escisión del genoma insertado del genoma huésped para la replicación y posterior producción de fagos.

Reactivación de multiplicidad y reactivación de profagos

La reactivación por multiplicidad (MR) es el proceso por el cual múltiples genomas virales, cada uno con daño genómico inactivante, interactúan dentro de una célula infectada para formar un genoma viral viable. La MR se descubrió originalmente con el fago T4, pero posteriormente se encontró en el fago λ (así como en numerosos otros virus bacterianos y de mamíferos [20] ). La MR del fago λ inactivado por luz UV depende de la función de recombinación del huésped o del fago infectante. [21] La ausencia de ambos sistemas de recombinación conduce a una pérdida de MR.

La supervivencia del fago λ irradiado con UV aumenta cuando el huésped E. coli es lisogénico para un profago homólogo, un fenómeno denominado reactivación del profago. [22] La reactivación del profago en el fago λ parece ocurrir mediante un proceso de reparación recombinacional similar al de MR.

Represor

Interacciones proteicas que conducen a ciclos líticos o lisogénicos para el fago Lambda

El represor que se encuentra en el fago lambda es un ejemplo notable del nivel de control posible sobre la expresión génica mediante un sistema muy simple. Forma un "interruptor binario" con dos genes bajo expresión mutuamente excluyente, como descubrió Barbara J. Meyer . [23]

Representación visual de la unión del tetrámero/octámero represor a los sitios operadores L y R del fago lambda (estado lisogénico estable)

El sistema del gen represor lambda consta de (de izquierda a derecha en el cromosoma):

  • gen cI
  • O 3​
  • O 2​
  • O 1​
  • gen cro

El represor lambda es un dímero autoensamblable también conocido como proteína cI . [24] Se une al ADN en el motivo de unión hélice-giro-hélice. Regula la transcripción de la proteína cI y la proteína Cro.

El ciclo de vida de los fagos lambda está controlado por las proteínas cI y Cro. El fago lambda permanecerá en estado lisogénico si predominan las proteínas cI, pero se transformará en ciclo lítico si predominan las proteínas cro.

El dímero cI puede unirse a cualquiera de los tres operadores, O R 1, O R 2 y O R 3, en el orden O R 1 > O R 2 > O R 3. La unión de un dímero cI a O R 1 mejora la unión de un segundo dímero cI a O R 2, un efecto llamado cooperatividad . Por lo tanto, O R 1 y O R 2 casi siempre están ocupados simultáneamente por cI. Sin embargo, esto no aumenta la afinidad entre cI y O R 3, que estará ocupado solo cuando la concentración de cI sea alta.

En altas concentraciones de cI, los dímeros también se unirán a los operadores O L 1 y O L 2 (que están a más de 2 kb aguas abajo de los operadores R). Cuando los dímeros de cI se unen a O L 1, O L 2, O R 1 y O R 2, se induce un bucle en el ADN, lo que permite que estos dímeros se unan para formar un octámero. Este es un fenómeno llamado cooperatividad de largo alcance . Tras la formación del octámero, los dímeros de cI pueden unirse cooperativamente a O L 3 y O R 3, reprimiendo la transcripción de cI. Esta regulación autonegativa asegura una concentración mínima estable de la molécula represora y, si surgen señales SOS, permite una inducción de profagos más eficiente. [25]

  • En ausencia de proteínas cI, el gen cro puede transcribirse.
  • En presencia de proteínas cI, sólo se puede transcribir el gen cI .
  • A altas concentraciones de cI, las transcripciones de ambos genes se reprimen.
  • Algunos pares de bases cumplen una doble función como promotor y operador para las proteínas cl y cro.
    Algunos pares de bases cumplen una doble función como promotor y operador para las proteínas cl y cro.
  • La proteína cl se activa, con el represor unido a la polimerasa OR2 aumenta la unión y se desactiva OR1.
    La proteína cl se activa, con el represor unido a la polimerasa OR2 aumenta la unión y se desactiva OR1.
  • La represión de los lisógenos en los tres sitios de unión es una incidencia baja debido a la débil afinidad de unión de OR3. La represión de OR1 aumenta la afinidad de unión a OR2 debido a la interacción represor-represor. El aumento de las concentraciones de represor aumenta la unión.
    La represión de los lisógenos en los tres sitios de unión es una incidencia baja debido a la débil afinidad de unión de OR3. La represión de OR1 aumenta la afinidad de unión a OR2 debido a la interacción represor-represor. El aumento de las concentraciones de represor aumenta la unión.

Descripción general de la función de las proteínas

ProteínaFunción en el ciclo de vidaRegión promotoraDescripción
cIIIProteína reguladora CIII. Lisogenia, estabilidad de cIIP L(Clear 3) La proteína de unión HflB (FtsH) protege a cII de la degradación por proteasas.
cIILisogenia, activador de la transcripciónP.R.​(Clear 2) Activa la transcripción de los promotores P AQ , P RE y P I , transcribiendo cI e int . Baja estabilidad debido a la susceptibilidad a las proteasas celulares HflB (FtsH) (especialmente en células sanas y células que experimentan la respuesta SOS). Los niveles altos de cII impulsarán al fago hacia la integración y la lisogenia, mientras que los niveles bajos de cII darán lugar a la lisis.
yoRepresor, mantenimiento de la lisogeniaPR , PRE​(Clear 1) Inhibidor de la transcripción, se une a O R 1, O R 2 y O R 3 (afinidad O R 1 > O R 2 = O R 3, es decir, se une preferentemente a O R 1). En concentraciones bajas bloquea el promotor P R (impidiendo la producción de cro). En concentraciones altas regula negativamente su propia producción a través de la unión de O R 3. El represor también inhibe la transcripción del promotor P L. Susceptible a la escisión por RecA * en células que experimentan la respuesta SOS.
croLisis, control del operador del represorP.R.​Inhibidor de la transcripción, se une a O R 3, O R 2 y O R 1 (afinidad O R 3 > O R 2 = O R 1, es decir, se une preferentemente a O R 3). En concentraciones bajas, bloquea el promotor pRM (impidiendo la producción de cI ). En concentraciones altas, regula negativamente su propia producción mediante la unión de O R 2 y O R 1. No hay unión cooperativa (véase más abajo la unión de cI)
OhLisis, replicación del ADNP.R.​Proteína de replicación O. Inicia la replicación del ADN del fago Lambda uniéndose al sitio ori .
PAGLisis, replicación del ADNP.R.​Inicia la replicación del ADN del fago Lambda uniéndose a la subunidad O y DnaB . Estas uniones proporcionan control sobre la ADN polimerasa del huésped.
juegoLisis, replicación del ADNP LInhibe la nucleasa RecBCD del huésped de degradar los extremos 3' y permite que se lleve a cabo la replicación del círculo rodante .
SLisisP.R. 'Holina , una proteína de membrana que perfora la membrana durante la lisis.
RLisisP.R. 'Endolisina , lisozima, una enzima que sale de la célula a través de los agujeros producidos por la holina y rompe la pared celular.
Rz y Rz1LisisP.R. 'Forma un complejo proteico de membrana que destruye la membrana celular externa tras la degradación de la pared celular por la endolisina. Spanina, Rz1 (subunidad de membrana externa) y Rz (subunidad de membrana interna).
FLisisP.R. 'Proteínas de la cabeza de la cápside del fago.
DLisisP.R. 'Proteína para decoración de cabeza.
miLisisP.R. 'Proteína principal de la cabeza.
doLisisP.R. 'Proteína de la cápside menor.
BLisisP.R. 'Proteína portal B.
ALisisP.R. 'Proteína terminasa grande.
YoLisisP.R. 'Proteína de especificidad del huésped J.
MVUGLTZLisisP.R. 'Proteína de cola menor M.
KLisisP.R. 'Probable endopeptidasa.
yoLisisP.R. 'Cinta métrica de cola de proteína H.
ILisisP.R. 'Proteína de ensamblaje de cola I.
ESLisisP.R. 'Proteína empaquetadora de ADN FI.
FIILisisP.R. 'Proteína de unión de la cola.
ATFLisisP.R. 'Proteína de ensamblaje de fibras de la cola.
enteroIntegración y escisión del genomaPI , PL​La integrasa gestiona la inserción del genoma del fago en el genoma del huésped. En condiciones de baja concentración de int no hay efecto. Si la concentración de xis es baja y la de int es alta, esto conduce a la inserción del genoma del fago. Si la concentración de xis e int es alta (y aproximadamente igual), esto conduce a la escisión de los genomas del fago del genoma del huésped.
xEscisión del genomaPI , PL​Regulador de la proteína int y excisasa , gestiona la escisión e inserción del genoma del fago en el genoma del huésped.
norteAntiterminación para la transcripción de genes tempranos tardíosP LEl antiterminador , proteína de unión al ARN y cofactor de la ARN polimerasa, se une al ARN (en los sitios Nut) y lo transfiere a la ARNpol naciente que acaba de transcribir el sitio nut. Esta modificación de la ARNpol impide que reconozca los sitios de terminación, por lo que se ignoran las señales de terminación normales de la ARN polimerasa y la síntesis de ARN continúa en los genes del fago distal ( cII, cIII, xis, int, O, P, Q ).
QAntiterminación para la transcripción de genes líticos tardíosP.R.​Antiterminator , proteína de unión al ADN y cofactor de la ARNpol, se une al ADN (en los sitios Qut) y lo transfiere a la ARNpol iniciadora. Esta modificación de la ARNpol altera su reconocimiento de las secuencias de terminación, por lo que se ignoran las normales; las secuencias de terminación Q especiales a unos 20.000 pb de distancia son efectivas. Las transcripciones Q-extendidas incluyen proteínas estructurales de fagos (AF, ZJ) y genes de lisis ( S, R, Rz y Rz1 ). Regulado a la baja por el ARNm antisentido P antiq durante la lisogenia.
RecARespuesta SOSProteína huéspedProteína reparadora de ADN, funciona como una coproteasa durante la respuesta SOS, autoescindiendo LexA y cI y facilitando la lisis.

Lítico vs. lisogénico

Diagrama del ciclo de vida del fago templado, que muestra los ciclos lítico y lisogénico.

Una distinción importante aquí es la que existe entre las dos decisiones: lisogenia y lisis en el momento de la infección, y lisogenia continua o lisis a partir de un profago. La última está determinada únicamente por la activación de RecA en la respuesta SOS de la célula, como se detalla en la sección sobre inducción. La primera también se verá afectada por esto; una célula que experimenta una respuesta SOS siempre será lisada, ya que no se permitirá que se acumule ninguna proteína cI. Sin embargo, la decisión lítica/lisogénica inicial en el momento de la infección también depende de las proteínas cII y cIII.

En las células con suficientes nutrientes, la actividad de la proteasa es alta, lo que descompone el cII. Esto conduce al estilo de vida lítico. En las células con nutrientes limitados, la actividad de la proteasa es baja, lo que hace que el cII sea estable. Esto conduce al estilo de vida lisogénico. El cIII parece estabilizar al cII, tanto directamente como actuando como un inhibidor competitivo de las proteasas relevantes. Esto significa que una célula "en problemas", es decir, carente de nutrientes y en un estado más inactivo, tiene más probabilidades de lisogenizarse. Esto se debe a que el fago ahora puede permanecer inactivo en la bacteria hasta que lleguen tiempos mejores, y así el fago puede crear más copias de sí mismo con los recursos adicionales disponibles y con la proximidad más probable de más células infectables.

Aún queda por desarrollar un modelo biofísico completo para la decisión de lisis-lisogenia de lambda. El modelado y la simulación por computadora sugieren que los procesos aleatorios durante la infección impulsan la selección de lisis o lisogenia dentro de las células individuales. [26] Sin embargo, experimentos recientes sugieren que las diferencias físicas entre las células, que existen antes de la infección, predeterminan si una célula se lisará o se convertirá en un lisógeno. [27]

Como herramienta genética

El fago lambda se ha utilizado ampliamente como organismo modelo y ha sido una excelente herramienta primero en genética microbiana y luego en genética molecular . [28] Algunos de sus usos incluyen su aplicación como vector para la clonación de ADN recombinante ; el uso de su recombinasa específica de sitio (int) para la mezcla de ADN clonado por el método de entrada ; [29] y la aplicación de su operón Red , incluidas las proteínas Red alfa (también llamada 'exo'), beta y gamma en el método de ingeniería de ADN llamado recombinación . El fragmento de ADN de 48 kb del fago lambda no es esencial para una infección productiva y puede ser reemplazado por ADN extraño, [30] que luego puede ser replicado por el fago. El fago lambda ingresará a las bacterias más fácilmente que los plásmidos, lo que lo convierte en un vector útil que puede destruir o convertirse en parte del ADN del huésped. [31] El fago lambda también puede manipularse y usarse como una vacuna contra el cáncer que se dirige a la aspartil (asparaginil) β-hidroxilasa humana (ASPH, HAAH), que ha demostrado ser beneficiosa en casos de carcinoma hepatocelular en ratones. [32] El fago lambda también ha sido de gran importancia en el estudio de la transducción especializada . [33]

Véase también

Referencias

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Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Fago lambda .
Wikispecies tiene información relacionada con los virus tipo Λ .
  • Ciclo de vida, animación básica del ciclo de vida de Lambda (ilustra la infección y las vías líticas/lisogénicas con algunos detalles de proteínas y transcripción)
  • Vídeo de microscopía time-lapse del MIT que muestra tanto la lisis como la lisogenia del fago lambda
  • Ciclo de vida del fago Lambda (demostración visual básica del ciclo de vida del bacteriófago Lambda)
  • Genoma del fago Lambda en GenBank
  • Proteoma de referencia del fago Lambda de UniProt
  • Estructuras proteicas del fago Lambda en NCBI (visualización en 3D de las estructuras proteicas del bacteriófago Lambda)
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