Phagen
Bei Phagen unterscheidet man solche, die sich nur dadurch vermehren,
dass ein Bakterium durch eine lytische Infektion getötet wird und
andere, die neben dieser auch die Möglichkeit haben, sich als Prophage
in das Genom des Wirtes zu integrieren. Ein integrierter Phage verleit
dem Bakterium eine Immunität gegen Infektionen durch weitere Phagen
des selben Typs.
Neben den Phagen haben die Plasmide oder Episomen einen ähnlichen
Lebenszyklus. Auch diese ringförmigen DNA-Stänge können sich in der
Genom integrieren und werden an andere Bakterien weiter gegeben.
Die Gene eines Phagen müssen zur richtigen Zeit umgesetzt werden,
damit der Zyklus korrekt verläuft. Als frühe Infektion bezeichnet man
die Phase bis zum Beginn der Replikation; den Zentraum nach Beginn der
Replikation bezeichnet man als Späte Infektion.
In der frühen Phase wird ein Pool von Phagengenom produziert, der dann
in der späten Phase in Proteine umgesetzt wird.
Der lytische Zyklus wird durch ein strenges Befolgen des Operonmodells
gewährleistet. Das Produkt einer Stufe ist immer der Auslöser einer
positiven Kontrolle auf der nächsten Stufe.
Man unterscheidet im Phagengenom essentielle Gene, die für den
lytischen Zyklus unbedingt notwendig sind und nichtessentielle Gene,
die sehr wahrscheinlich nur in einem ganz bestimmten Wirt einen
Vorteil bringen, deren Funktion aber noch nicht verstanden ist.
Die Kontrolle beim Phagen Lambda ist deutlich komplizierter. Sowohl
der lytische, als auch der lysogene Weg beginnt mit der Expression der
unmittelbar frühen Gene. Diese sind N, ein Antiterminationsfaktor und
cro, das die Synthese des Repressors verhindert, so den lytischen
Zyklus einleitet und die weitere Expression der frühen Gene
verhindert.
Danach werden die verzögerten frphen Gene exprimiert. Zu diesen
gehören neben Replikations- und Rekombinatinonsfaktoren der
Kontrollfaktor Q, ein Antiterminationsfaktor, der das Ablesen der
späten Gene ermöglicht und ein weiteres Regulatorpaar, das zur
Synthese des Repressors führt.
Da die gesamte Lyse in Form einer Kaskade angelegt ist, kann sie durch
einen einzigen Repressor verhindert werden. Dieses wird von dem cI-Gen
codiert. Mutationen in diesem Gen verhindern die Lysogenie. Dieser
Repressor hat zwei Aufgaben: Er verhindert die Expression des N-Gens
und verhindert so die Lyse und an anderer Stelle verhindert er das
Ablesen von cro und anderen frühen Genen. Ausserdem wirkt er an der
Stelle auch als ein positives Regulatorprotein für das cI-Gen, was zu
einer autokatalytischen Beeinflussung führt.
Durch den Repressor werden ausserdem andere Phagen, die in die Zelle
eindringen an dem Eintritt in den lytischen Zyklus gehindert.
Der Repressor, der sich mit seinen C-terminalen Domänen zu Dimeren
zusammen lagert und mit dem N-Terminus über ein HTH-Motiv mit der DNA
interagiert. Wenn
das Gleichgewicht zwischen Dimer und Monomer gestört wird, wird die
Lysogenie durch den nicht mehr stark genug bindenden Monomer beendet.
Jeder der beiden oben genannten Operatoren bietet drei Bindungsstellen
für den Repressor. Die Stellen unterstützen die Bindung des Repressors
an der jeweils nächsten kooperativ. So wird die Affinität des
Repressors zum Operator verstärkt.
Eine dritte Bindungsstelle innerhalb des cI-Gens verhindert eine
Überproduktion des Repressors. Normalerweise wird in einer lysogenen
Zelle diese Stelle auf Grund der niedrigen Repressorkonzentration
nicht besetzt.
Wie aber wird die Synthese des Repressors gestartet?
Nach der Infektion bewirken N und cro die Transkription von cII und
cIII. Das Produkt CIII schützt CII vor einem Abbau durch die
Wirtszelle. Wenn dieses dann an den Promotor PRE bindet, wird der
Repressor translatiert und blockiert durch eine Antisens-RNA
gleichzeitig die cro-Synthese. CII steuert ausserdem die Expression
der Integrase.
Der Eintritt in die lytische Phase hängt hingegen von dem cor-Gen
ab. Cro verhindert die Synthese des Repressorproteins, indem des die
Transkription eines Promotors hemmt. Gleichzeitig schaltet es aber
auch die frühen Gene ab. Cro ist dem Repressor in der Struktur sehr
ähnlich und bindet an die gleiche DNA-Sequenz. Durch das Besetzen der
Repressorbindestelle im cI-Gen verhindert es dessen
Transkription. Auch an den beiden andere Stellen verhindert Cro die
Bindung der Polymerase.
Je nachdem ob Cor der der Repressor die Operatoren bindet, kommt es
zum lysogenen oder zum lytischen Weg. Meistens wird in einer gut
wachsenden Zelle durch eine hohe Anzahl an Proteasen das CII-Protein
abgebaut und es kommt zu einem lytischen Zyklus. Bei unterversorgten
Zellen richtet der Phage dagegen seinen lysogenen Zustand ein.
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