INFECTIOUS DISEASE

VIROLOGJI  – KAPITULLI  24

BAKTERIOFAGËT  

Dr. Gene Mayer
Professor Emerita
University of South Carolina School of Medicine

Përktheu:
Prof. Kristaq BËRXHOLI
Fakulteti i Mjekësisë Veterinare
Departamenti i Shëndetit Publik Veterinar
Tiranë – ALBANIA - SHQIPËRI
 

ANGLISHT

En Español

Logo image © Jeffrey Nelson, Rush University, Chicago, Illinois  and The MicrobeLibrary

OBJEKTIVAT E TË MËSUARIT
Të përshkruajë përbërjen e përgjithshme  dhe strukturën  e bakteriofagut
Të diskutojë procesin infektiv si dhe ciklin e shumzimit litik
Të sqarojë ciklin lizogjenik dhe rregullimin e tij

  © CellsAlive - James A. Sullivan

Përcaktimi

Bakteriofagët (fagët) janë parazitë intraqelizorë  obligativë që shumzohen në brëndësi të bakterieve  duke përdorur disa ose të gjitha makineritë biosintetike të bujtësit ( virusë që infektojnë bakteriet.).

Ka shumë ngjashmëri  midis bakteriofagëve  dhe virusëve  të qelizave të kafshëve. Kështu , bakteriofagët  mund të shifen si model sistemi për virusët e qelizës së kafshëve. Për të njohur ciklin jetësor të bakteriofagëve është e nevojshme të kuptojmë një prej mekanizmave  nëpërmjet të cilave genet bakterialë mund të transferohen nga një bakter tek tjetri.

Dikur mendohej se përdorimi i bakteriofagëve  mund të ishte një rrugë efektive për të trajtuar infeksionet bakteriale, por u pa shumë shpejt se fagët largohen shumë shpejt nga organizmi dhe kështu kishin shumë pak vlerë klinike. Megjithkëtë, bakteriofagët përdoren në diagnostikën laboratorike për identifikimin e bakterieve patogjenë (tipizimi me anën e fagut-fago tipizimi). Megjithëse tipizimi  me anën e fagut nuk përdoret në rutinën klinike laboratorike, ajo përdoret në laboratorët e referencës për qëllime epidemiologjike.  Kohët e fundit  është zhvilluar një interes i ri  në mundësinë e përdorimit të bakteriofagëve për trajtimin e infeksioneve bakteriale dhe në profilaksi. Nëse bakteriofagët do të përdoren në mjekësinë klinike mbetet për tu përcaktuar më vonë

FJALË KYÇE
Bakteriofagu
Tipizimi i fagut
 Kapsida
Bishti
Mbulesa kontraktuese
Pjata bazale
Fimbrat e bishtit
Fagu virulent
Eklipsi
m-ARN e hershme dhe e vonshme
Pllakat
Pfu
 Lizogjenia
Fagu i temperuar
Profagu
Lizogjenia
Fundet kohezive
Rekombinimi vend-specifik

Rekombinimi
Represioni
Induktimi
Ndryshimi lizogjenik

  Bakteriofagu T4  (TEM x390,000)   © Dennis Kunkel Microscopy, Inc.  Used ëith permission

  Bakteriofagu T4 mikrografi  elektronike me ngjyrim negativ  © ICTV.

Figura 1 Struktura e bakteriofagut  T4

PËRBËRJA DHE STRUKTURA E BAKTERIOFAGËVE

Përbërja

Megjithëse bakteriofagë  të ndryshme mund të përmbajnë materiale të ndryshme të gjithë përmbajnë acid nukleik dhe protein. 

Sigurisht fagu, me acid nukleik që mund të jetë ose ADN ose ARN por jo të dy bashkë, mund të egzistojë në forma të ndryshme. Acidi nukleik i fagëve  shpesh përmban  baza jo të zakonshme ose të modifikuara. Këto baza të modifikuara mbrojnë acidin nukleik të fagut nga nukleazat që shkatërrojnë acidin nukleik të bujtësit gjatë infektimit të fagut. Madhësia e acidit nukleik varion në vartësi të fagut. Fagët e thjeshtë kanë acid nukleik që të kodojë vetëm për 3-5 produkte genesh me madhësi mesatare, ndërsa fagët më kompleks mund të kodojnë për mbi 100 produkte genesh. 

Numuri i llojeve të ndryshme të proteinës dhe sasia e sejcilit lloj proteine në particelën e fagut do të variojë në vartësi  të fagut. Fagët e thjeshtë kanë shumë kopje vetëm të një ose dy proteinave, ndërsa fagët kompleksë mund të kenë shumë lloje të ndryshme. Proteinat funksionojnë  në infeksion dhe në mbrojtjen e acidit nukleik nga nukleazat  në ambient.

Struktura

Bakteriofagu ka shumë forma dhe madhësi të ndryshme. Cilësitë bazë strukturale të bakteriofagut janë të ilustruara  në Figurën 1, e cila tregon fagun e quajtur T4.  

Madhësia
Fagu T4 është nga fagët më të mëdhenj, ai është afërsisht 200 nm i gjatë dhe 80-100 nm i gjërë. Fagët e tjerë janë  më të vegjël. Kufiri i shumicës së fagëve luhatet midis 24-200 nm gjatësi.

Koka ose kapsida
Të gjithë fagët përmbajnë një strukturë të kokës që ndryshon në madhësi dhe formë. Disa janë ikozahedralë  (20 brinjë) të tjerët janë filamentozë. Koka ose kapsida  është e përbërë prej shumë kopjeve të një ose më shumë proteine. Në brëndësi të kokës gjëndet acidi nukleik. Koka vepron si mbulesë mbrojtëse për acidin nukleik. 

Bishti
Shumë, por jo të gjithë fagët, kanë bisht që është i ngjitur në kokën e fagut. Bishti është një tub bosh nëpërmjet të cilit, gjatë infektmit të bakteries, kalon acidi nukleik. Në fagët më kompleksë të ngjashëm me T4 , bishti rrethohet nga një mbulesë kontraktuese e cila mblidhet gjatë infektimit të bakteries. Në fund të bishtit, fagët  më kompleksë  të ngjashëm  me T4 kanë një pllakë bazale dhe një ose më shumë fimbra të ngjitur në të. Pllaka bazale dhe fimbrat  e bishtit janë pjesëmarrës në lidhjen e fagut tek qeliza bakteriale. Jo të gjithë fagët kanë pllakë bazale dhe fimbra të bishtit. Në këtë rast, struktura të tjera marrin pjesë në lidhjen e particelës së fagut tek bakteriet.

INFEKSIONI I QELIZAVE TË BUJTËSIT

Adsorbimi

Shkalla e parë në procesin e infeksionit është absorbimi i fagut tek qeliza bakteriale. Kjo fazë ndërmjetësohet  nga fimbrat  e bishtit  ose  nga disa struktura analoge në këto fagë që janë të varfër me fimbra të bishtit  dhe është e kthyeshme. Fimbrat  e bishtit ngjiten tek receptorët specifikë në qelizën bakteriale dhe specifiteti i fagut për bujtësin (bakteria që është e aftë të infektohet), zakonisht përcaktohet nga tipi i fimbrave të bishtit  që ka fagu.  Natyra e receptorit bakterial  ndryshon për bakterie të ndryshme. Shembujtë përfshijnë proteinat në sipërfaqen e jashtëme të bakteries,LPS, pili dhe lipoproteinat. Këta receptorë janë  tek bakteria për qëllime të tjera dhe fagu i shfrytëzon ata për infektimin.

Ngjitja e pa kthyeshme

Ngjitja e fagut tek bakteria nëpërmjet fimbrave të bishtit  është e dobët dhe është e kthyeshme. Lidhje e pa kthyeshme e fagut tek bakteria ndërmjetësohet nga një ose më shumë komponentë të pllakës bazale. Fagët me mungesë të pllakës bazale kanë rrugë të tjera për tu lidhur ngushtësisht tek qeliza bakteriale.

LËVIZJE
Bakteriofagu
Kërkon Quicktime
© Mondo Media
San Francisco, California 94107 USA and The MicrobeLibrary
 

Kontraktimi i mbulesës

Lidhja e pa kthyeshme e fagut tek bakteria rezulton në kontraktimin e mbulesës (për ata fagë të cilët kanë mbulesë të bishtit)  dhe tubi  bosh i bishtit depërton nëpërmjet mbulesës bakteriale (Figura 2). Fagët, të cilët nuk kanë mbulesë kontraktuese përdorin mekanizma të tjerë për të futur particelat e fagut nëpërmjet  mbulesës bakteriale. Disa fagë kanë enzima që tresin komponentë të ndryshëm të mbulesës bakteriale.

 

Injektimi i acidit nukleik

Kur fagët kanë depërtuar mbulesën bakteriale, acidi nukleik  kalon nëpërmjet tubit të bishtit  dhe futet në qelizën bakteriale. Zakonisht i vetmi komponent  i fagut, që futet në qelizën bakteriale, është acidi nukleik. Mbetjet e tjera të fagut ,mbeten jashtë bakteries. Ka disa përjashtime kundrejt këtij rregulli. Kjo është e ndryshme nga virusët e qelizave të kafshëve  të cilët në shumicën e tyre  particelat virale i fusin në brëndësi të qelizës. Kjo diferencë ndoshta vjen si pasojë e pa aftësisë së bakterieve për të  gëlltitur  materiale. 

   Figura 4 Metoda për fagun litik

Fagët litikë ose virulentë

Përcaktimi
Fagë litikë ose virulentë  janë fagët të cilët  mund të shumzohen vetëm tek qeliza bakteriale dhe vrasin qelizën bakteriale nëpërmjet lizisit në fund të ciklit jetësor. 

Cikli jetësor
Cikli jetësor  i fagut litik paraqitet   në Figurën 3.

Periudha e eklipsit
Gjatë fazës së eklipsit, asnjë particelë e fagut infektiv nuk gjëndet brënda ose jashtë qelizës bakteriale. Acidi nukleik i fagut merr në dorë makineritë biosintetike të bujtësit duke prodhuar si m-ARN’s specifike të fagut ashtu dhe  proteinat. Ka një rregull në shfaqjen e sintezës së makromolekulave të fagut, njësoj si ajo që vrehet në rastin e infeksioneve virale të kafshëve. m-ARN’s e hershme kodojnë për proteinat e hershme të cilat nevojiten për sintezën e ADN së fagut  dhe për shkatërrimin e biosintezës së ADN, ARN dhe proteinës  së bujtësit. Në disa raste proteinat e hershme degradojnë kromozomet e bujtësit. Pasi është prodhuar ADN e fagut, prodhohen m-ARN’s dhe proteinat e vonshme. Proteinat  e vonshme janë proteina strukturale që përmban fagu dhe gjithashtu  janë proteina që nevojiten  për lizisin e  qelizës bakteriale.  .

Faza e akumulimit intra qelizor
Në këtë fazë acidi nukleik dhe proteinat strukturale janë prodhuar dhe sistemuar  dhe particelat infektive të fagut grumbullohen në brëndësi të qelizës.

Faza e lizisit dhe e çlirimit
Pas një periudhe kohe qeliza bakteriale fillon të lizohet si pasojë e grumbullimit të proteinës lizuese të fagut dhe fagu intraqelizor çlirohet në terren. Numuri i particelave të çliruara për qelizë bakteriale të infektuar mund të jetë më i madh se 1000.

Metoda e fagut litik

Metoda e pllakave
Fagu litik numërohet me metodën e formimit të pllakave. Pllaka është një zonë e qartë  e cila rezulton si pasojë e lizimit të bakterieve (Figura 4). Çdo pllakë formohet nga një fag i vetëm  infektiv. Particelat infektive  që shkaktojnë formimin e pllakës janë quajtur pfu (njësi e formimit të pllakave).

  Figura 6 Rekombinimet vend-specifik

Fagu lizogjenik ose temperat (i butë)

Përcaktimi
Fagë lizogjenikë ose temperatë janë ata fagë të cilët mund të shumzohen ose nëpërmjet ciklit litik ose që futen në një gjëndje të qetë në qelizë. Në këtë gjëndje të qetë shumica e geneve të fagëve  nuk janë të transkriptuar. Genoma e fagut është në gjëndje të ndrydhur. ADN  e fagut në këtë gjëndje të ndrydhur është quajtur profag, për shkak se ai nuk është një fag porse ai ka potencialin për të prodhuar fagë. Në shumicën e rasteve ADN e fagut integrohet në brëndësi të kromozomeve të bujtësit  dhe ai replikohet së bashku me kromozomet  e bujtësit dhe kalon në qelizat bija. Qeliza prodhuese e profagut nuk është e infektuar  nga prezenca e profagut  dhe gjëndja lizogjenike mund të persistojë pa kufi. Qeliza që prodhon profagun është emërtuar lyzogjen. 

Fenomenet që të shpien tek lizogjenia – Fagu prototip: Lambda

Qarkullimi i fag kromozomit
ADN e Lambda  është një molekulë lineare dy zinxhirorëshe me një regjion zinxhiror  të vogël të vetëm  në fundin 5'. Këto funde zinxhirorëshe të vetme janë komplementarë (funde kohezive) kështu që mund të kenë çifte bazash dhe prodhojnë një molekulë rrethore. Në qelizë fundet e lira të rrethit mund të ligatet për të formuar një qark rrethor të mbyllur  siç dhe është ilustruar në Figurën 5.

Rekombinimet vend-specifik
Fenomeni i rekombinimit, i katalizuar nga enzimat e koduara të fagut, ndodh midis një vendi të veçantë në ADN rrethore të fagut dhe një vendi të veçantë në koromozomin e bujtësit.  Rezultati është integrimi i ADN së fagut  në brëndësi të kromozomit  siç është paraqitur në Figurën 6.

Represioni i genomës së fagut
Proteina e koduar e  fagut, e quajtur represor, e prodhuar  lidhet në një vënd të veçantë  të ADN së fagut , të quajtur operator duke bllokuar transkriptimin e shumicës së geneve të fagut  me PËRJASHTIM  të genit represor. Rezultati është një genomë stabile e fagut represor  e cila integrohet mandej në  brëndësi të kromozomës së bujtësit. Sejcili fag i temperuar do të represojë vetëm ADN e tij  dhe jo atë nga fagë të tjerë, kështu që represioni është shumë specifik (imuniteti kundrejt superinfeksionit me të njëjtin fag).   

Figura 8A SEM (Scanning electron micrograph) e qelizës së Escherichia coli me particelë të fagut (i cili tregohet me pika të bardha të vogla) të ngjitura jashtë qelizës. © Scott Kachlany, Cornell University Ithaca, Neë York, USA and The MicrobeLibrary

  Figura 8B
SEM e qelizës së E. coli me mbulesë të dëmtuar të qelizës si pasojë me sa duket nga çlirimi i fagut. Pasi fagu është replikuar brënda qelizës bujtëse, ay duhet të çlirohet nga qeliza bujtëse.Kjo ndodh shpesh nga lizimi i qelizës.
© Scott Kachlany, Cornell University Ithaca, Neë York, USA and The MicrobeLibrary
 

Fenomenet që shpien  në përfundimin e lizogjenisë

Në kohën që  një bakter lizogjenik është i ekspozuar  kundrejt kushteve të këqija, gjëndja lizogjenike  mund të përfundojë.  Ky process është quajtur  një përfundim logjik. Kushtet, të cilët favorizojnë përfundimin  e lizogjenisë  përfshijnë: tharjen, ekspozimin kundrejt rrezeve UV ose radiacionit jonizues, ekspozimin kundrejt kimikateve mutagjenikë etj. Kushtet  e këqija shkaktojnë prodhimin e proteazave  (Proteinë A rec)  e cila shkatërron proteinën represore. Kjo mandej të shpie në shfaqjen e geneve të fagut, në kthimin e  procesit të integrimit dhe  shumzim litik.

Cikli litik ose cikli lizogjenik

Përfundimi për lambda për tu futur në ciklin litik ose lizogjenik, kur ai futet për herë të parë në qelizë, përcaktohet  nga koncentrimi i represorit  dhe proteina e fagut tjetër të quajtur  cro në qelizë. Proteina  cro bllokon sintezën e represorit dhe kështu parandalon vendosjen e lizogjenisë. Kushtet e ambientit që favorizojnë prodhimin  e cro do të shpien tek cikli litik ,ndërsa ato që favorizojnë prodhimin e represorit  do të favorizojnë lizogjeninë.

Të kuptuarit e lizogjenisë

Model për transformimin e virusëve të kafshëve
Lizogjenia është një system modeli për transformimin e virusëve  të qelizave të kafshëve.

Shndrimi lizogjenik
Kur një qelizë bëhet lizogjenike, rastësisht gjenet ekstra  të mbartura nga fagu arrijnë të shprehen në qelizë. Këto gjene mund të ndryshojnë cilësitë e qelizës bakteriale. Ky proces është quajtur lizogjenik ose shndrimi i fagut. Ky mund të jetë shndrim klinik që do të thotë se fagët lizogjenikë kanë treguar se mbartin gene  që mund të modifikojnë  antigjenin O të salmonelës, i cili është një nga antigjenët kryesorë kundrejt të cilit drejtohet përgjigjia immune. Prodhimi i toksinës nga Corynebacterium diphtheriae ndërmjetësohet nga geni i mbartur nga fagu. Vetëm këto shtame që janë ndryshuar nga lizogjenia janë patogjenë.

Kthehu në seksionin e virologji të Microbiology and Immunology On-line

faqja së fundi e ndërruar në  Monday, February 16, 2015
faqja mbahet nga  Richard Hunt