Mykobakteriofag
En mykobakteriofag är en medlem av en grupp bakteriofager som är kända för att ha mykobakterier som värdbakteriearter. Även om de ursprungligen isolerades från bakteriearterna Mycobacterium smegmatis och Mycobacterium tuberculosis , det orsakande medlet för tuberkulos , har mer än 4 200 mykobakteriofager sedan isolerats från olika miljömässiga och kliniska källor. 2 042 har sekvenserats helt. Mykobakteriofager har tjänat som exempel på viral lysogeni och på den divergerande morfologin och genetiska arrangemanget som är karakteristiskt för många fagtyper.
Alla mykobakteriofager som hittills hittats har haft dubbelsträngade DNA- genom och har klassificerats efter sin struktur och utseende i siphoviridae eller myoviridae .
Upptäckt
En bakteriofag som upptäcktes att infektera Mycobacterium smegmatis 1947 var det första dokumenterade exemplet på en mykobakteriofag. Det hittades i kulturer av de bakterier som ursprungligen växte i fuktig kompost . Den första bakteriofagen som infekterade M. tuberculosis upptäcktes 1954.
Mångfald
Tusentals mykobakteriofager har isolerats med användning av en enda värdstam, Mycobacterium smegmatis mc2155, av vilka över 1400 har sekvenserats fullständigt. Dessa är till största delen från miljöprover, men mykobakteriofager har också isolerats från avföringsprover från tuberkulospatienter , även om dessa ännu inte har sekvenserats. Ett 30-tal distinkta typer (kallade kluster eller singletons om de inte har några släktingar) som delar lite nukleotidsekvenslikhet har identifierats. Många av klustren sträcker sig över tillräcklig mångfald att genomen motiverar uppdelning i subkluster (Figur 1).
Det finns också ett stort intervall i det totala innehållet av guanin plus cytosin (GC%), från 50,3% till 70%, med ett genomsnitt på 64% ( M. smegmatis är 67,3%). Sålunda matchar fag GC% inte nödvändigtvis den för dess värd, och den efterföljande felmatchningen av kodonanvändningsprofiler verkar inte vara skadlig. Eftersom nya mykobakteriofager som saknar omfattande DNA-likhet med den befintliga samlingen fortfarande upptäcks, och eftersom det finns minst sju singlar för vilka inga släktingar har isolerats, har vi uppenbarligen ännu inte mättat mångfalden av denna specifika population.
Samlingen av >50 000 gener kan sorteras i >3 900 grupper (så kallade familier , dvs fagproteinfamiljer) enligt deras delade aminosyrasekvenser. De flesta av dessa familjer (~75%) har inga homologer utanför mykobakteriofagerna och har okänd funktion. Genetiska studier med mykobakteriofag Giles visar att 45 % av generna är icke-nödvändiga för lytisk tillväxt .
Värdsortiment
Värdområdesanalys visar att inte alla mykobakteriofager från M. smegmatis infekterar andra stammar och endast fager i kluster K och i vissa subkluster av kluster A effektivt infekterar M. tuberculosis (Figur 1). Emellertid kan mutanter lätt isoleras från vissa fager som utökar sitt värdområde för att infektera dessa andra stammar. Den molekylära basen för värdområdet beror dock på beteendet och närvaron av specifika gener. Detta ökar sannolikheten för en korrelation mellan genfamiljer och den föredragna värden.
Mykobakteriofaginfektionens områden förstås inte i sin helhet eftersom det involverar olika mekanismer inklusive receptortillgänglighet, restriktionsmodifiering, abortinfektion och mer. Dessa mekanismer kan förmedlas genom flera processer som CRISPRs (Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats) och translationsapparaten som modifieras. Fager övervinner dessa begränsningar genom att utvecklas, spontan mutation och diversifiera.
Genomarkitektur
Det första sekvenserade mykobakteriofaggenomet var det från mykobakteriofag L5 1993. Under de följande åren har hundratals ytterligare genom sekvenserats. Mykobakteriofager har mycket mosaikgenom . Deras genomsekvenser visar bevis på omfattande horisontell genetisk överföring , både mellan fager och mellan fager och deras mykobakteriella värdar. Jämförelser av dessa sekvenser har hjälpt till att förklara hur ofta genetiska utbyten av denna typ kan förekomma i naturen, såväl som hur fager kan bidra till bakteriell patogenicitet .
Ett urval av 60 mykobakteriofager isolerades och fick sina genom sekvenserade 2009. Dessa genomsekvenser grupperades i kluster med flera metoder i ett försök att fastställa likheter mellan fagerna och utforska deras genetiska mångfald. Mer än hälften av fagarterna hittades ursprungligen i eller nära Pittsburgh, Pennsylvania , även om andra hittades på andra platser i USA, Indien och Japan. Inga distinkta skillnader hittades i genomen hos mykobakteriofagarter från olika globala ursprung.
Mykobakteriofaggenom har visat sig innehålla en undergrupp av gener som genomgår snabbare genetiskt flöde än andra delar av genomen. Dessa gener för "snabbflöde" utbyts oftare mellan mykobakteriofag och är 50 procent kortare i sekvens än den genomsnittliga mykobakteriofaggenen.
Ansökningar
Historiskt har mykobakteriofag använts för att "typa" (dvs. "diagnostisera") mykobakterier, eftersom varje fag infekterar endast en eller ett fåtal bakteriestammar. På 1980-talet upptäcktes fager som verktyg för att genetiskt manipulera sina värdar. Till exempel användes fag TM4 för att konstruera skyttelfasmider som replikerar som stora kosmider i Escherichia coli och som fager i mykobakterier. Shuttle-fasmider kan manipuleras i E. coli och användas för att effektivt införa främmande DNA i mykobakterier.
Fager med mykobakteriella värdar kan vara särskilt användbara för att förstå och bekämpa mykobakteriella infektioner hos människor. Ett system har utvecklats för att använda mykobakteriofag som bär en reportergen för att screena stammar av M. tuberculosis för antibiotikaresistens. I framtiden kan mykobakteriofag användas för att behandla infektioner med fagterapi .
Under 2019 rapporterades att tre mykobakteriofager administrerades intravenöst två gånger dagligen till en 15-årig flicka med cystisk fibros och spridd M. abscessus subsp massiliense- infektion som inträffade efter lungtransplantation. Patienten hade klar nytta av behandlingen och fagbehandlingen i kombination med antibiotika förlängdes med flera år. År 2022 rapporterades att två mykobakteriofager administrerades intravenöst två gånger dagligen till en ung man med behandlingsrefraktär Mycobacterium abscessus subsp abscessus lunginfektion och svår cystisk fibros lungsjukdom. Luftvägskulturer för M. abcessus blev negativa efter cirka 100 dagars kombinerad fag- och antibiotikabehandling, och en mängd olika biomarkörer bekräftade det terapeutiska svaret. Individen fick en bilateral lungtransplantation efter 379 dagars behandling, och kulturer från den explanterade lungvävnaden bekräftade utrotning av bakterierna.
externa länkar