Вирусы могут «наблюдать» за вами — ждать, прежде чем размножаться и убивать

Иллюстрация бактериофагов

Фаги могут ощущать повреждение бактериальной ДНК, что заставляет их размножаться и покидать корабль.

Вирусы могут «наблюдать» за вами — некоторые микробы подстерегают, пока их хозяева непреднамеренно не дадут им сигнал начать размножаться и убить их.

Особенно после более чем двух лет[{” attribute=””>COVID-19 pandemic, many people picture a virus as a nasty spiked ball – essentially a mindless killer that gets into a cell and hijacks its machinery to create a gazillion copies of itself before bursting out. For many viruses, including the coronavirus that causes COVID-19, the “mindless killer” moniker is essentially true.

However, there’s more to virus biology than meets the eye.

A suitable illustration is HIV, the virus that causes AIDS. HIV is a retrovirus that does not immediately go on a killing spree when it enters a cell. Instead, it integrates itself into your chromosomes and chills, waiting for the proper opportunity to command the cell to make copies of it and burst out to infect other immune cells and eventually cause AIDS.

Bacteriophages, or simply phages, are naturally occurring viruses that attack and kill bacteria. They cannot infect human cells. Phages are extremely diverse and exist everywhere in the environment, including in our bodies. In fact, humans contain more phages than human cells.

A phage has three main parts: a head, a sheath, and a tail. The phage uses its tail to attach to a bacterial cell. They use the bacteria to replicate themselves. After finding a “matching” bacterial cell, the phage injects its genetic material, hijacking the system normally used for bacterial reproduction. Instead the system will make thousands more phages, which ultimately burst the bacterial cell, releasing it into the environment.

Exactly what moment HIV is waiting for is not clear, as it’s still an area of active study. However, research on other viruses has long indicated that these pathogens can be quite “thoughtful” about killing. Of course, viruses cannot think the way you and I do. But, as it turns out, evolution has bestowed them with some pretty elaborate decision-making mechanisms. For example, some viruses will choose to leave the cell they have been residing in if they detect DNA damage. Not even viruses, it appears, like to stay on a sinking ship.

For over two decades, my laboratory has been studying the molecular biology of bacteriophages, or phages for short, the viruses that infect bacteria. Recently, my colleagues and I demonstrated that phages can listen for key cellular signals to help them in their decision-making. Even worse, they can use the cell’s own “ears” to do the listening for them.

Escaping DNA damage

If the enemy of your enemy is your friend, phages are certainly your friends. Phages control bacterial populations in nature, and clinicians are increasingly using them to treat bacterial infections that do not respond to antibiotics.

The best-studied phage, lambda, works a bit like HIV. Upon entering the bacterial cell, lambda decides whether to replicate and kill the cell outright, like most viruses do, or to integrate itself into the cell’s chromosome, as HIV does. If the latter, lambda harmlessly replicates with its host each time the bacteria divides.


На этом видео показано, как фаг лямбда заражает кишечную палочку.

Однако, как и ВИЧ, лямбда не сидит без дела. Он использует специальный белок, называемый CI, как стетоскоп, чтобы выслушивать признаки повреждения ДНК в бактериальной клетке. Если ДНК бактерии будет скомпрометирована, это плохие новости для гнездящегося в ней фага лямбда. Поврежденная ДНК ведет прямо на свалку эволюции, потому что она бесполезна для фага, которому она нужна для размножения. Таким образом, лямбда включает свои гены репликации, создает свои копии и вырывается из клетки в поисках других неповрежденных клеток для заражения.

Прослушивание системы связи ячейки

Вместо того, чтобы собирать информацию с помощью собственных белков, некоторые фаги подключаются к собственному датчику повреждения ДНК зараженной клетки: LexA.

Белки, такие как CI и LexA, являются факторами транскрипции, которые включают и выключают гены, связываясь с определенными генетическими паттернами в книге инструкций ДНК, которая является хромосомой. Некоторые фаги, такие как Coliphage 186, выяснили, что им не нужен собственный вирусный белок CI, если в их хромосомах есть короткая последовательность ДНК, с которой может связываться бактериальный LexA. Обнаружив повреждение ДНК, LexA активирует гены репликации и уничтожения фага, по сути заставляя клетку совершить самоубийство, позволяя фагу сбежать.

Исследователи впервые сообщили о роли КИ в принятии решений по фагам в 1980-х годах и о контрразведывательном трюке Coliphage 186 в конце 1990-х. С тех пор было несколько других сообщений о том, что фаги подключаются к бактериальным коммуникационным системам. Одним из примеров является фаг phi29, который использует фактор транскрипции своего хозяина, чтобы определить, когда бактерия готовится произвести спору или своего рода бактериальное яйцо, способное выжить в экстремальных условиях. Phi29 инструктирует клетку упаковывать свою ДНК в спору, убивая почкующиеся бактерии после прорастания споры.


Факторы транскрипции включают и выключают гены.

В недавно опубликованном исследовании мои коллеги и я показали, что несколько групп фагов независимо развили способность подключаться к еще одной бактериальной коммуникационной системе: белку CtrA. CtrA интегрирует множество внутренних и внешних сигналов для запуска различных процессов развития бактерий. Ключевым среди них является производство бактериальных придатков, называемых жгутиками и пили. Как оказалось, эти фаги прикрепляются к пили и жгутикам бактерий, чтобы заразить их.

Наша ведущая гипотеза состоит в том, что фаги используют CtrA, чтобы угадать, когда поблизости будет достаточно бактерий с пили и жгутиками, чтобы они могли легко инфицировать. Довольно хитрый трюк для «безмозглого убийцы».

Это не единственные фаги, которые принимают сложные решения — и все это даже без наличия мозга. Некоторые фаги, заражающие бацилла бактерии производят маленькую молекулу каждый раз, когда они заражают клетку. Фаги могут чувствовать эту молекулу и использовать ее для подсчета количества фаговых инфекций, происходящих вокруг них. Подобно инопланетным захватчикам, этот подсчет помогает решить, когда им следует включить свои гены репликации и уничтожения, убивая только тогда, когда носители относительно многочисленны. Таким образом, фаги следят за тем, чтобы у них никогда не заканчивались носители для заражения, и гарантируют свое собственное долгосрочное выживание.

Противодействие вирусной контрразведке

Хороший вопрос: почему вас должны волновать контрразведывательные операции, проводимые бактериальными вирусами. Хотя бактерии сильно отличаются от людей, вирусы, которые их заражают, не так уж отличаются от вирусов, заражающих людей. Позже было показано, что почти каждый трюк, который проделывают фаги, используется вирусами, заражающими людей. Если фаг может подключаться к бактериальным коммуникационным линиям, почему человеческий вирус не может подключиться к вашим?

Пока что ученые не знают, какие человеческие вирусы могут прослушивать, если захватят эти линии, но есть множество возможных вариантов. Я считаю, что, как и фаги, вирусы человека потенциально могут подсчитывать их количество для разработки стратегии, обнаружения роста клеток и образования тканей и даже для мониторинга иммунных реакций. На данный момент эти возможности являются только предположениями, но в настоящее время ведутся научные исследования.

Наличие вирусов, прослушивающих личные разговоры ваших клеток, — не самая радужная картина, но не без худа без добра. Как прекрасно знают спецслужбы всего мира, контрразведка работает только тогда, когда она скрыта. После обнаружения систему можно очень легко использовать для передачи дезинформации вашему врагу. Точно так же я считаю, что будущие противовирусные терапии смогут сочетать обычную артиллерию, такую ​​как противовирусные препараты, которые предотвращают репликацию вируса, с обманом информационной войны, например, заставить вирус поверить, что клетка, в которой он находится, принадлежит другой ткани.

Но, тише, никому не говори. Вирусы могут подслушивать!

Написано Иваном Эриллом, адъюнкт-профессором биологических наук Мэрилендского университета, округ Балтимор.

Эта статья была впервые опубликована в The Conversation.Разговор

Leave a Comment