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Bacteriófago P2

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El bacteriófago P2 , cuyo nombre científico es Peduovirus P2 (anteriormente virus P2 de Escherichia ), [ 1 ] es un fago templado que infecta a E. coli . Es un virus con cola y vaina contráctil, por lo que se clasifica en el género Peduovirus (anteriormente P2likevirus ), familia Peduoviridae , dentro de la clase Caudoviricetes . Este género de virus incluye muchos fagos similares a P2, así como el fago satélite P4 . [ 2 ]

Descubrimiento

El bacteriófago P2 fue aislado por primera vez por G. Bertani de la cepa Lisbonne y Carrère de E. coli en 1951. [ 3 ] Desde entonces, se ha aislado un gran número de profagos similares a P2 (por ejemplo, 186, HP1, HK239 y WΦ) que compartían características como el rango de hospedadores, la relación serológica y la incapacidad de recombinarse con el fago λ , y parecían ser bastante comunes en las poblaciones de E. coli, ya que alrededor del 30% de las cepas en la colección de referencia de E. coli (SABC) contienen profagos similares a P2. [ 4 ] De estos profagos similares a P2, P2 es el mejor caracterizado. Se descubrió que el fago P2 podía multiplicarse en muchas cepas de E. coli , así como en cepas de muchas otras especies, incluidas Serratia , Klebsiella pneumoniae y Yersinia sp., [ 5 ] lo que sugiere que desempeñó un papel importante en la transferencia horizontal de genes en la evolución bacteriana.

Genoma y morfología

El fago P2 posee un genoma de ADN de doble cadena empaquetado en una cápside icosaédrica de 60 nanómetros de diámetro, conectada a una cola de 135 nanómetros de longitud. La presencia del fago P4 puede provocar la formación de cápsides más pequeñas en el P2. [ 6 ] La cola termina en una placa basal, que constituye el centro de control de la infectividad del fago. La placa basal incluye seis fibras de la cola que inicialmente se unen a receptores en la pared celular bacteriana, y una proteína de espícula de la cola que posteriormente se une irreversiblemente a otros receptores en la pared celular.

El genoma del bacteriófago P2 consta de 33.592 pb de ADN lineal de doble cadena con extremos cohesivos (número de acceso AF063097). Los 42 genes del genoma se pueden dividir en tres categorías principales: (i) genes necesarios para el crecimiento lítico, (ii) genes implicados en el establecimiento y mantenimiento de la lisogenia (como int y C ), y (iii) genes no esenciales (incluidos old, tin y Z/fun ). Además, en el genoma de P2 se encuentran varios marcos de lectura abiertos (ORF), que podrían codificar proteínas funcionales. [ 5 ]

Ciclo vital

El bacteriófago P2 es un fago templado, lo que significa que puede propagarse líticamente (es decir, dirigir a la célula huésped para que produzca progenie de fagos y finalmente lisar al huésped cuando la progenie de fagos sale), así como establecer la lisogenia (es decir, inyectar y fusionar su material genético en el genoma del huésped sin lisar la célula) y mantenerse como un profago en el genoma del huésped.

Infección

La adsorción del virión a la célula huésped es el paso clave en la infección por fagos, esencial para la posterior unión del fago y la inyección de su ADN. Durante el proceso de adsorción, la fibra de la cola del fago P2 reconoce y se une a la región central del lipopolisacárido de E. coli , y luego el fago inyecta su ADN en el citoplasma . [ 5 ] [ 7 ]

Ciclo lítico

Transcripción temprana

La expresión génica de P2 se regula a lo largo del ciclo lítico . La transcripción temprana, responsable de la expresión de los genes necesarios para la replicación del ADN posterior , se inicia inmediatamente después de la infección. El operón temprano contiene 9 genes y se transcribe a partir del promotor lítico Pe. El primer gen del operón, denominado cox , codifica el represor del promotor lisogénico Pc e impide la expresión de los genes necesarios para establecer la lisogenia. [ 8 ] [ 9 ] A continuación, el fago entra en el ciclo de vida lítico y comienza la transcripción temprana. Solo la ARN polimerasa σ 70 del huésped es necesaria en el proceso de transcripción temprana. [ 9 ]

replicación del ADN

Además de cox , el operón temprano contiene otros dos genes que son esenciales para la replicación del ADN P2, los genes A y B. [ 10 ] [ 11 ] La replicación del genoma P2 es iniciada por la proteína A y tiene lugar desde un origen fijo ( ori ) a través de un mecanismo de círculo rodante modificado que genera círculos monoméricos de doble cadena. [ 12 ] [ 13 ] La proteína B puede ser necesaria para la síntesis de la cadena rezagada, ya que puede interactuar con DnaB de E. coli y funcionar como un cargador de helicasa . [ 14 ]

Activación de la transcripción tardía

La transcripción de genes tardíos se inicia a partir de cuatro promotores tardíos una vez que ha comenzado la replicación del ADN y se ha expresado el activador transcripcional Ogr. [ 15 ] [ 16 ] Los promotores tardíos, P P , P O , P V y P F, son activados por Ogr y dirigen la transcripción de los genes responsables de las funciones líticas, así como de la codificación de los bloques de construcción para las progenies de fagos. [ 5 ] [ 17 ] [ 18 ] Los cuatro promotores tienen una región con una simetría de díada parcial centrada alrededor de 55 pb corriente abajo del sitio de inicio de la transcripción. Esta simetría de díada, revelada mediante análisis de deleción y sustituciones de bases, ha demostrado ser esencial para la actividad del promotor. [ 9 ] [ 19 ] [ 20 ] Además, los genes tardíos de P2 también pueden ser activados directamente por las proteínas δ de los fagos satélite P4 y ΦR73. [ 9 ] [ 21 ]

Lisis

Durante el ciclo lítico, al igual que otros fagos de doble cadena, el bacteriófago P2 utiliza un sistema holina-endolisina para lisar la célula huésped. P2 posee dos genes de lisis esenciales (gen K y gen Y) y dos genes de lisis auxiliares ( lysA y lysB ). [ 9 ] [ 22 ] El producto del gen K presenta una extensa similitud en la secuencia de aminoácidos con la del gen R del fago λ, que exhibe la función de endolisina y ataca el enlace glucosídico. El gen Y codifica un polipéptido con alta similitud a la familia de proteínas holina, que forma "agujeros" en la membrana celular y proporciona una vía para que la endolisina escape a la pared celular. Los genes no esenciales, lysA y lysB , parecen desempeñar un papel en el control del momento preciso de la lisis. [ 23 ]

Ciclo lisogénico

Integración del profago

Durante el ciclo lisogénico, el genoma del fago P2 se inserta en el cromosoma del huésped y se mantiene como un profago. La integración implica una recombinación sitio-específica entre un sitio de unión bacteriano ( attB ) y un sitio de unión del fago ( attP ), lo que genera las uniones huésped-fago, attL y attR . Esta reacción está controlada por una integrasa codificada por el fago y no produce ganancia ni pérdida de nucleótidos. [ 9 ] Otro factor de integración del huésped, IHF, también es esencial en el proceso de integración y actúa como una proteína arquitectónica que se une al ADN y lo pliega. [ 16 ] [ 24 ] Por lo tanto, el mecanismo de integración del fago P2 es similar al sistema de recombinación sitio-específica λ, bien estudiado, pero las proteínas del fago y sus sitios de unión al ADN difieren. [ 9 ] [ 25 ]

Mantenimiento de la lisogenia

El estado lisogénico de P2 es promovido y mantenido por el represor C. Es un polipéptido de 99 aminoácidos y se une a una sola región operadora que regula la expresión de los genes tempranos: cox, B y posiblemente A. Las investigaciones han demostrado que el represor C puede regular tanto positiva como negativamente su propio promotor Pc, ya que Pc se regula positivamente a niveles bajos de C y negativamente a niveles altos. [ 16 ] [ 26 ] Dado que el represor C no es inactivado por el sistema SOS/RecA de E. coli , el profago P2 no es inducible por irradiación ultravioleta. Además, incluso si el represor C está inactivado, el profago P2 no puede escindirse, debido a la falta de expresión de int . [ 5 ] [ 27 ] Por lo tanto, P2 ha sido considerado el prototipo de la clase de fagos templados no inducibles. [ 9 ] El mecanismo sobre cómo P2 resuelve la paradoja de inducción-escisión sigue siendo desconocido.

Control del crecimiento lítico frente al lisogénico

Como se indicó anteriormente, tras la infección, el fago P2 puede entrar en el ciclo lítico o lisogénico. La decisión entre el ciclo lítico y el lisogénico depende de qué promotor tome el control: el promotor lisogénico Pc o el promotor Pe, que controla los genes responsables del ciclo lítico. [ 16 ] Pc y Pe se encuentran uno frente al otro y son mutuamente excluyentes. El promotor Pe dirige la transcripción de la proteína Cox, que reprime el promotor Pc y, por lo tanto, impide la lisogenización; y el promotor Pc dirige la transcripción del represor C, que regula negativamente Pe. [ 5 ] [ 26 ] [ 28 ] Por lo tanto, se cree que qué promotor toma el control es consecuencia de las concentraciones relativas de la proteína Cox y el represor C. Si el equilibrio entre el represor C y las proteínas Cox se desplaza hacia el represor C después de la infección, el fago entrará en el ciclo de vida lisogénico, ya que el promotor Pe se desactivará, y viceversa. [ 16 ]

Evolución del bacteriófago P2 y otros fagos similares a P2

Numerosas investigaciones han demostrado que los genomas de los fagos están compuestos tanto por genes similares a los genes del huésped o a otros genes del fago, como por genes nuevos que muestran poca similitud con cualquier gen conocido. [ 9 ] [ 29 ] [ 30 ] La familia de fagos tipo P2 no es una excepción. Sus genomas comparten mucha similitud, pero cada uno contiene genes únicos, incluyendo algunos cuyas funciones aún se desconocen. Según el criterio sugerido por Ackermann, muchos fagos pueden clasificarse taxonómicamente como tipo P2, ya que comparten algunas características con el fago P2, [ 31 ] pero hasta ahora, solo se dispone de 6 genomas completos (P2, 186, ΦCTX, HP1, HP2 y K139). [ 9 ]

Relación filogenética de 6 fagos similares a P2 secuenciados

Mediante la comparación del genoma completo, se reveló que solo nueve genes tardíos (correspondientes a los genes H, L, M, N, O, P, Q, S, T en el fago P2) y un gen de integrasa eran genéticamente similares y estaban presentes en los seis genomas secuenciados completos. Se construyeron árboles filogenéticos basados ​​en las secuencias de aminoácidos de los productos de los nueve genes tardíos, y todos mostraron una topología idéntica, lo que sugiere que podrían tener la misma historia evolutiva. Además, es probable que estos nueve genes tardíos se hereden clonalmente, ya que no hay indicios de eventos de recombinación importantes entre ellos para ningún par de fagos. Sin embargo, para los genes restantes, además de estos nueve, su relación filogenética suele ser ambigua y resulta difícil dilucidar su historia evolutiva. [ 9 ]

Recombinación homóloga y no homóloga

La recombinación homóloga juega un papel más importante en los cambios de nucleótidos del fago P2 que la mutación , lo cual no es sorprendente ya que los profagos similares a P2 son prevalentes en la población de E. coli y se ha encontrado que ocurre intercambio genético entre genomas del huésped. [ 9 ] [ 32 ] La secuenciación de cinco genes tardíos de 18 aislados de fagos similares a P2 demostró que la recombinación homóloga es extensa y ocurre aleatoriamente en múltiples puntos de ruptura. Las variaciones genéticas en los genes tardíos de los 18 parientes cercanos son pequeñas, ya que la mayor diferencia en cualquier gen fue de solo 3,7%. Debido a que hubo mucha más variación en las posiciones del tercer codón sinónimas que no sinónimas, es probable que estos genes tardíos estén sujetos a una selección estabilizadora bastante fuerte. [ 9 ] [ 33 ]

Además de la recombinación homóloga entre fagos relacionados, la recombinación no homóloga también es un mecanismo clave para la evolución de los fagos. El alto grado de similitud en los genes de la fibra de la cola de los fagos P2, P1 , Mu , λ, K3 y T2 , que pertenecen a diferentes familias, indica un nivel de recombinación no homóloga entre fagos no relacionados que hasta ahora no se había apreciado. Dado que el rango de hospedadores de los fagos está determinado en gran medida por la fibra de la cola, este hallazgo sugiere que, bajo presiones selectivas, es probable que los fagos cambien su rango de hospedadores utilizando el acervo genético disponible. [ 7 ] [ 9 ]

Contribución a la evolución de su huésped.

La capacidad de alternar entre el ciclo de vida lítico y lisogénico resulta sumamente beneficiosa para la supervivencia del fago. En una población densa y numerosa de huéspedes isogénicos, se prefiere la estrategia lítica, y tanto la virulencia del fago como los mecanismos de defensa del huésped evolucionarán en una carrera armamentística. Por el contrario, la lisogenia se ve favorecida cuando la densidad de células huésped no es lo suficientemente alta como para mantener la densidad del fago mediante ciclos repetidos de infecciones líticas. [ 34 ]

Es bien sabido que el fago P2 tiene el potencial de mediar la transferencia horizontal de genes al infectar diferentes bacterias. Durante este proceso, el fago P2 puede servir como fuente de nuevos genes para los huéspedes, lo que proporciona material para la evolución y la selección. En comparación con la evolución por mutación y selección, los cambios genéticos mediados por fagos pueden provocar alteraciones drásticas en el metabolismo y la fisiología bacteriana en poco tiempo, y pueden conferir aptitud a sus huéspedes. Por ejemplo, Edlin et al. encontraron que la E. coli lisogénica con un profago λ, P1, P2 o Mu podía crecer más rápidamente que una contraparte no lisogénica en condiciones de limitación de nutrientes. [ 35 ] [ 36 ] Además, se demostró que el profago P2 puede contribuir a la diseminación de toxinas citolétales distensoras entre cepas de E. coli O157 y facilitar su expansión de nicho entre diferentes huéspedes animales, lo que proporciona nuevas perspectivas sobre la patogénesis de E. coli O157. [ 37 ]

Referencias

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