Bacteriófagos

Son virus capaces de infectar, multiplicarse y provocar lisis celular, liberando nuevas partículas infectivas, en una bacteria. Pueden tener tres tipos de simetría en la cápsida:

– Icosaédricos.

– Helicoidales.

– Complejos y de simetría binaria: icosaédricos y helicoidales.

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Los ÁCIDOS NUCLEICOS son de los cuatro tipos: DNA mono, DNA bicatenario, RNA mono y bicacatenario.

FAGO HUÉSPED CABEZA COLA ÁCIDO NUCLEICO ESTRUCTURA TIPO
T1 E. coli Hexagonal Simple ADN +/- Lineal Virulento
T2,T4,T6 E. coli Icosaédrico Compleja ADN +/- Lineal y bases modificadas Virulento
T3,T7 E. coli Hexagonal Corta ADN +/- Lineal Virulento
T5 E. coli Hexagonal Simple ADN +/- Lineal y una cadena segmentada Virulento
LAMBDA, fi-80, P2, Mu E. coli Hexagonal Simple ADN +/- Lineal y extremos cohesivos Atemperado
N4 E. coli Hexagonal Corta ADN +/- Lineal Virulento
P22 Salmonella Hexagonal Compleja ADN +/- Lineal Virulento
SP01 Bacillus Hexagonal Compleja ADN +/- Lineal  
SP82 Bacillus Hexagonal Compleja ADN +/- Lineal  
S13 E. coli Icosaédrico No ADN + Circular Virulento
M12,G4 E. coli Icosaédrico No ADN + Circular Virulento
PM2 Pseudomona Hexagonal, envoltura No ADN+/- Circular  
M13 E. coli Filamentoso No ADN + Circular Virulento
MS2, f2 E. coli Icosaédrico No ARN + Lineal Virulento
fi-6 Pseudomona Poliédrico y envoltura No ARN + 3 Segmentos Virulento
f1, fd E. coli No Filamentoso ADN +/-   Virulento
P1 Salmonella Icosaédrica Compleja ADN +/-   Atemperado

MORFOLOGÍA

Hay varios tipos morfológicos:

1) Fagos de simetría binaria, ADN bicatenario y cola contractil. Ej: fagos T-par.

2) Fagos de simetría binaria, DNA bicatenario y cola no contractil. Ej: fago lambda de E. coli.

3) Fagos icosaédricos sin cola y de ADN bicatenario. Ej: ÞX174.

4) Fagos sin cola, ARN monocatenario. Ej: colifago f2

5) Fagos filamentosos de ADN monocatenario. Ej: fago fd de E.coli.

6) Otros: fago PM2 de P. aeruginosa, que posee una cápsida de simetría helicoidal flexible de hasta 850 nm de longitud y con lípidos.

El FAGO COMPLEJO consta de:

a) El TALLO es de simetría helicoidal, y puede ser corto o largo, rígido o flexible, y puede presentar aditamentos adicionales con simetría o no helicoidal. El tallo puede estar desnudo o recubierto una parte por una vaina. La zona no cubierta por la vaina se denomina cuello.

En la región terminal de la vaina o en la parte superior pueden aparecer placas proteicas:

– Placa superior sirve para inyectar el AN en el espacio periplásmico.

– Placa inferior puede ir acompañada por espículas y fibras que sirven para anclarse a la membrana de la bacteria.

b) La CABEZA es de simetría icosaédrica y contiene el AN.

CICLO VÍRICO

A. CICLO VÍRICO DE LOS FAGOS ADN duplex.

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1. CONTACTO CON EL VIRUS

La adsorción se da en sitios específicos para un determinado fago. Se fijan en la pared celular, a fimbrias, pelos, flagelos. Este primer contacto es reversible, con lo que obtenemos virus infectivos. Al poco tiempo se hace irreversible y no podemos recuperar fagos infectivos porque han inyectado el AN en la bacteria.

El Rc celular para el fago suelen ser polisacáridos complejos con especificidad de unión con el fago y antigénica. El fago lambda se adhiere a una proteína transportadora de manosa.

2. INYECCIÓN DEL AN EN EL ESPACIO PERIPLÁSMICO Y DE AHÍ, AL INTERIOR DE LA BACTERIA (SÓLO PASA EL ÁCIDO NUCLEICON).

Cada tipo de virus tiene algo de especial. Ej: en los fagos complejos, la fijación se da a nivel de la placa o la vaina, y la inyección depende del tipo de morfología. En el caso más complejo, se da la penetración del tallo por una contracción de la vaina (pasa por un poro que lo realiza una lisozima virus específica). Es un proceso activo y usa ATP (hay unas 100 moléculas de ATP en el virión) y ATPasa virus específica.

Después de la inyección, la bacteria repara la zona lisada. Si son muchos los fagos que infectan la célula o el metabolismo de la bacteria no está al 100 %, la reparación no se lleva a cabo y hay debilitamiento de la pared celular y lisis de la bacteria (lisis desde fuera) y no se forman fagos infectivos porque no hay replicación.

El fago T7 inyecta siempre el genoma con la misma polaridad (polaridad constante). El fago T5 inyecta primero una serie de genes que se traducen en el interior de la bacteria y permiten la entrada del resto del genoma. La unión del fago produce cambios en la membrana plasmática y cambios en el metabolismo de la célula (se detiene el metabolismo celular).

3. MULTIPLICACIÓN DEL ÁCIDO NUCLEICO: FASE DE ECLIPSE.

La fase de eclipse es aquella en la que no podemos recuperar viriones infectantes, después de lisar la célula. En el momento de la inyección del AN hay inhibición de la síntesis y del metabolismo bacteriano. El DNA pasa al citoplasma y hay inducción de enzimas que van a dirigir la síntesis fágica. Comienza la transcripción en varias fases:

a) RNAm inicial: son proteínas que van a intervenir en la síntesis del RNAm tardío y en la síntesis de DNA vírico. Hay síntesis de "novo" proteínas como la dCTPasa (el fago G4 porta su RNA poli); también se aprovecha de la maquinaria celular (DNA poli, RNA poli, enzimas metilantes y glicosilantes, DNAasa, timidinkinasa):

– Proteínas fágicas que detienen la síntesis de RNA bacteriano, que conducen al desplegamiento del DNA y su posterior degradación.

– Proteínas que regulan la transcripción vírica.

– RNA polimerasa que necesaria para la transcripción de los genes tardíos (fago T7).

Enzimas glicosilantes: unen un resto de glucosa a citosina.

Enzimas metilantes que van a metilar las bases del DNA vírico en las dianas de restricción presentes en el genoma (mecanismo de protección del DNA vírico). Esta señal sirve para evitar a las enzimas de restricción de la bacteria. En algunos virus está atrofiado y a estos virus se los llama virus confinados.

Estos virus pueden infectar a bacterias como Salmonella y Shigella que no tienen este sistema de restricción y sí el sistema de metilación. El virus, cuando infecta , va a generar virus que pueden infectar a otras bacterias porque tienen el DNA metilado, pero no van a poder generar viriones de nuevo porque no tienen sistemas de metilación (virus desconfinados).

dCTPasa: hidrolizan el dCTP y dCDP, con lo que la citosina no puede incorporarse al DNA vírico y sí se incorpora la citosina glicosilada.

DNAasa que interviene en la rotura del DNA celular: cesa la replicación , transcripción y síntesis bacteriana. Los fragmentos de DNA celular que se forman se utilizan para sintetizar el DNA vírico y los RNAm. Además, la maquinaria vírica cuenta el ARNr y ARNt de la bacteria.

Timidinkinasas

b) RNAm de genes medios: sus productos son requeridos para la duplicación del DNA y la recombinación.

c) RNAm tardío (codifica dos tipos de proteínas):

– Proteínas capsidales.

– Proteínas enzimáticas del virus: lisozima que realiza la lisis celular y las polimerasas.

La síntesis de DNA vírico se realiza en el momento en el que se sintetizan las proteínas iniciales.

4. MADURACIÓN.

Comienza con una condensación de las proteínas capsidales para formar la procabeza. En esta procabeza entra el AN para formar la cabeza, y a continuación van a fijarse la cola que se ha sintetizado por separado. Pueden formar partículas vacías, colas, cabezas, etc.

Todo el proceso está controlado por un sistema regulador del ADN fágico.

5. LIBERACIÓN.

La pared bacteriana es atacada por una lisozima fágica de fase tardía que rompe la pared bacteriana y libera partículas víricas completas e incompletas.

B. FAGOS DNA monocatenario de banda POSITIVA.

ADN muy pequeño (5-7 Kb). No inhiben la síntesis de macromoléculas del huésped (a mayor carga génica del virus, mayor inhibición de la síntesis celular y menor uso de las enzimas del huésped).

a) La adsorción y penetración es a través de la pared por un mecanismo todavía no conocido (fago ÞX174). Los fagos filamentosos tipo fd y M13 se fijan a los pilis sexuales e inyectan el ADN por él.

Estos fagos tienen una proteína PILOTO con funciones en:

– Adsorción del virión al Rc celular.

– La proteína cambia de conformación y transporta al ADN vírico al interior de la célula.

– Inicia la replicación del ADN vírico al acoplar el ADN a las enzimas.

– Participa en la morfogénesis del virus.

Al inyectar el ADN, la proteína capsidal queda insertada en la membrana celular y más tarde se reutiliza.

b) La multiplicación del virus no afecta a la síntesis bacteriana.

c) REPLICACIÓN: después de la penetración del DNA dentro de la bacteria, se sintetiza la banda de DNA negativa dando una forma replicativa (FR) formada por DNA duplex (por medio de una DNA poli bacteriana). Después actúa una replicasa vírica para formar la banda de DNA positivo vírico para los nuevos viriones y RNAm para proteínas iniciales y tardías, a partir de un molde negativo. Es una replicación ASIMÉTRICA.

d) La liberación se produce a través de la membrana en el momento de la división bacteriana. En cada generación celular son excretados unos 1000 viriones (crecimiento estacionario). No obstante, el virus puede afectar a la célula y destruirla.

C. FAGOS RNA monocatenario de banda POSITIVA.

Penetra sólo por los pilis sexuales de bacterias macho, con ayuda de la proteína A fágica, utilizandolos como canales para inyectar su ARN (MS2, f1, R17). El ARN tiene una extensa complementariedad (forman estructuras secundarias y terciarias) y tienen la organización génica más simple que se conoce de todos los virus autónomos. Todas sus funciones están expresadas en tres genes que codifican:

– Proteína A (función similar a la proteína piloto de los fagos DNA monocatenarios).

– Proteína de la cápsida.

– Replicasa vírica.

El RNA penetra en el citoplasma y se fija a los ribosomas para sintetizar una replicasa, que utilizando el RNA+, sintetiza otro hebra RNA- y genera una FR de RNA duplex. A partir de la banda negativa de la FR se sintetiza RNA+ que sirve de mensajero y RNA vírico para formar los viriones. Este RNA+ se ha empleado para el estudiado de la síntesis proteica "in vitro"

La bacteria se lisa y libera los fagos.

CICLO LISOGÉNICO

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A. DEFINICIÓN.

En ciertos casos la infección no trae consigo la lisis celular, sino que hay una inserción del DNA vírico en el genoma de la bacteria, y una replicación conjunta. A este fenómeno se le llama ciclo lisogénico y al DNA vírico insertado PROFAGO.

Sólo lo pueden realizar los fagos que son capaces de generar en el citoplasma bacterianos DNA duplex CCC. En algunos casos se producen mutaciones de los fagos, generando:

– Virus defectivos: son virus incapaces de completar el ciclo por si solos, pero la bacteria no es infectada por otro fago del mismo tipo.

– Virus altamente defectivo: no proporcionan inmunidad a la bacteria.

1. FAGO LAMBDA.

Fago poliédrico específico de E. coli de 48.5 Kd que contiene una molécula de DNA duplex lineal con extremos cohesivos o complementarios que van a permitir su circularización cuando entra en el citoplasma de la bacteria. Una vez circularizado el DNA, se inserta en el genoma bacteriano para dar un ciclo lisogénico en la mayoría de las ocasiones.

El ciclo lítico/lisogénico esta regulado por las proteínas CRO (factor esencial para el ciclo lítico) y CI (factor esencial de lisogenia). La proteína CI es un represor citoplasmático que evita la multiplicación del DNA fágico.

Las reacciones de integración/escisión del fago en el genoma bacteriano son realizadas por los genes int (integración) y xis (liberación).

El modelo de replicación del DNA es el del circulo rodante, y el producto es una molécula de DNA con múltiples copias lambda (concatémero) que es procesado por unas enzimas que reconocen los extremos COS (extremos cohesivos). Este proceso esta acoplado al empaquetamiento del DNA dentro de la cápsida.

Las proteínas que intervienen en el empaquetamiento son:

– Proteína E: forma la procabeza.

– Proteína D: produce empaquetamiento de DNA en cabeza.

– Proteína A: reconoce los sitios COS y corta.

– Proteína S: lisa la célula y salen los fagos.

2. FAGO Mu.

El fago Mu es un fago ADN duplex CCC de E. coli que puede insertarse en distintos sitios del cromosoma bacteriano, provocando mutaciones en la bacteria (recombinación ilegítima). Se comporta como un transposon.

B. CARACTERÍSTICAS.

1. LISIS.

a) Lisis espontanea: el fago entra en ciclo lítico y destruye la bacteria portadora (1/100 a 1/100.000). Cuando E. coli se ve atacada en el DNA, destruye CI y aparece el cíclo lítico.

b) Lisis inducida: provocada por agentes físicos y químicos sobre la bacteria inducible. Los agentes son:

– Físicos: rayos ultravioletas, RX, rayos gamma.

– Químicos: sustancias reductoras (ac. ascórbico, glutámico) y mutágenos químicos como las mostazas nitrogenadas, mitomicina C.

2. INMUNIDAD. La bacteria lisógena es inmune a la infección por un fago homólogo del profago que ella transporta. Dos fagos son coinmunes cuando son sensibles al mismo represor.

3. FENÓMENOS DE TRANSFORMACIÓN GENÉTICA. Las bacterias lisógenas pueden presentar características distintas por:

– Presencia de profago en el genoma (conversión) que inactiva el gen sobre el que se inserta o aumenta la expresión de otros genes.

– Presencia de genes de otra bacteria (transducción generalizada o especializada).

4. HAY MODIFICACIÓN DEL GENOTIPO Y DEL FENOTIPO que afectan a las propiedades bioquímicas, antigénicas y toxigénicas. Ej:

a) Fago beta y C. diphterae: cepas toxigénicas lisogenizadas.

b) S. pyogenes lisogenizado produce la toxina eritrogena responsable de la escarlatina.

c) Salmonella varia los Ag de superficie con la lisogenación y a veces cambia el serotipo.

5. LA INFECCIÓN DE LA BACTERIA SE PRODUCE EN FASE DE MULTIPLICACIÓN.

6. LA INSERCIÓN DEL VIRUS EN EL GENOMA BACTERIANO ES EN LUGAR ESPECÍFICO.

C. RELACIONES ENTRE FAGOS Y BACTERIOCINAS.

Las bacteriocinas son sustancias bactericidas específicas producidos por las bacterias y activas sobre otras cepas de la misma especie o géneros distintos. Hay dos tipos de bacteriocinas:

a) Grandes. Son termolábiles a 80 ºC y similares a fagos completos o a parte de ellos. Ej:

– Colicina 15, partícula fágica completa, con ADN y cola contractil presente en E. coli.

– Monocina, fago sin AN en L. monocytogenes.

– Piocina 28, cola de un fago presente en P. aeruginosa.

b) Pequeñas. Son termoestables a 100 ºC y parecen ser constituyentes de la pared de la bacteria.

D. APLICACIONES PRACTICAS DE LOS FAGOS.

a) Fagoterapia, muy difícil.

b) Diagnostico por fagos. La tipificación bacteriana se basa en la elevada especificidad de la adsorción viral. Casi todas las bacterias llevan fagos asociados, que se pueden aislar de líquidos purulentos, heces, serosidades, agua, etc. Ej:

– Brucella y el fago Tb

– V. cholerae y el fago IV de Mukerjee

c) Lisotipia y fagotipia: El Ag Vi de S. typhi es producido por el fago Vi que tiene 66 lisotipos.

d) Detectar portadores mudos. Ej: detectar fagos de Salmonella en haces de portadores mudos.

e) Índice de contaminación fecal de agua y alimentos.

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