ฟาจ Ff

Ff phages (สำหรับF specific filamentous phages ) คือกลุ่มของฟาจเส้นใยที่เกือบเหมือนกัน( สกุล Inovirus )ซึ่งรวมถึงฟาจf1 , fd, M13และ ZJ/2 ที่ติดเชื้อแบคทีเรียที่มีปัจจัยความอุดมสมบูรณ์ F [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ไวริออน (อนุภาค ไวรัส ) เป็นเส้นใยที่ยืดหยุ่นได้ มีขนาดประมาณ 6 x 900นาโนเมตร ประกอบด้วยท่อโปรตีนทรงกระบอกที่ปกป้องโมเลกุล DNA วงกลมสายเดี่ยวที่แกนกลาง ฟาจเข้ารหัสผลิตภัณฑ์ยีนเพียง 11 ยีน และเป็นหนึ่งในไวรัสที่ง่ายที่สุดที่รู้จัก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาแง่มุมพื้นฐานของชีววิทยาโมเลกุลจอร์จ สมิธ และเกร็ก วินเทอร์ ใช้ f1 และ fd ในงานของพวกเขาเกี่ยวกับการแสดงผลฟาจซึ่งทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำ ปี 2018 ร่วมกัน [ 8 ]การทดลองในช่วงแรกเกี่ยวกับฟาจ Ff ใช้ M13 เพื่อระบุหน้าที่ของยีน[ 9 ] [ 10 ]และ M13 ยังได้รับการพัฒนาให้เป็นพาหะในการโคลนนิ่ง[ 11 ]ดังนั้นบางครั้งชื่อ M13 จึงถูกใช้เป็นคำพ้องความหมายอย่างไม่เป็นทางการสำหรับกลุ่มฟาจ Ff ทั้งหมด
โครงสร้าง

ไวริออนเป็นเส้นใยที่ยืดหยุ่นได้ ( โซ่คล้ายหนอน ) มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6 นาโนเมตร และ ยาว 900 นาโนเมตรโปรตีนย่อยเปลือก หลักแบบอัลฟาเฮลิกซ์ขนาดเล็ก (50 กรดอะมิโน) ที่ยืดออกหลายพันชุด (ผลิตภัณฑ์ของยีน 8 หรือ p8) เรียงตัวซ้อนทับกันคล้ายกระเบื้องมุงหลังคา ก่อให้เกิดทรงกระบอกกลวงที่ห่อหุ้มจีโนมดีเอ็นเอสายเดี่ยวแบบวงกลมไว้ โปรตีนย่อย p8 แต่ละหน่วยมีกลุ่มของกรดอะมิโนพื้นฐานอยู่ใกล้ปลาย Cของโปรตีนที่ยืดออก และกรดอะมิโนที่เป็นกรดอยู่ใกล้ปลาย Nโดยสองบริเวณนี้ถูกคั่นด้วยกรดอะมิโนที่ไม่ชอบน้ำ (ไม่มีขั้ว) ประมาณ 20 ตัว การจัดเรียงแบบคล้ายกระเบื้องมุงหลังคาทำให้กรดอะมิโนที่เป็นกรดของ p8 อยู่ใกล้พื้นผิวด้านนอกของทรงกระบอก ซึ่งทำให้อนุภาคไวรัสมีประจุลบ บริเวณที่ไม่เป็นขั้วใกล้กับบริเวณที่ไม่เป็นขั้วของซับยูนิต p8 ที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งปฏิสัมพันธ์ที่ไม่เป็นขั้วมีส่วนช่วยให้อนุภาคไวรัสมีความเสถียรทางกายภาพอย่างเห็นได้ชัด และสารตกค้างพื้นฐานใกล้กับศูนย์กลางของทรงกระบอก ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับฟอสเฟต DNA ที่มีประจุลบที่แกนกลางของไวริออน โมเลกุล DNA ที่ยาวกว่า[ 12 ] (หรือสั้นกว่า[ 13 ] ) สามารถบรรจุได้ เนื่องจากสามารถเพิ่มซับยูนิต p8 ได้มากขึ้น (หรือน้อยลง) ในระหว่างการประกอบตามที่ต้องการเพื่อปกป้อง DNA ทำให้ฟาจมีประโยชน์สำหรับการศึกษาทางพันธุกรรม (ผลกระทบนี้ไม่ควรสับสนกับโพลีฟาจซึ่งสามารถบรรจุโมเลกุล DNA ที่แยกจากกันและแตกต่างกันได้หลายโมเลกุล) โปรตีนขนาดเล็กสี่ชนิดแต่ละชนิดประมาณ 5 ชุดจะปิดปลายทั้งสองข้างของไวริออน[ 14 ]
โครงสร้างระดับโมเลกุลของแคปซิด ของไวรัส (การประกอบกันของโปรตีนย่อย p8) ได้รับการกำหนดโดยวิธีการเลี้ยวเบนของรังสี เอกซ์ผ่านเส้นใย และแบบจำลองโครงสร้างได้ถูกบันทึกไว้ในฐานข้อมูลโปรตีน (Protein Data Bank ) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โครงสร้างไวรัส fd และ Pf1 ที่บันทึกไว้ใน PDB ตลอดหลายทศวรรษ แสดงให้เห็นถึงการพัฒนาวิธี การเก็บรวบรวมข้อมูล การเลี้ยวเบนของเส้นใยและการวิเคราะห์เชิงคำนวณ โครงสร้างของโปรตีนแคปซิด p3 และโปรตีนการจำลอง/การประกอบ p5 ก็ได้รับการกำหนดจากผลึกศาสตร์รังสีเอกซ์และบันทึกไว้ใน PDB เช่นกัน

พันธุศาสตร์
ลำดับดีเอ็นเอของจีโนม fd มีนิวคลีโอไทด์ 6408 ตัว ประกอบด้วย 9 ยีน แต่จีโนมมีเฟรมการอ่านแบบเปิด 11 เฟรม ที่สร้างโปรตีน 11 ตัว เนื่องจากยีนสองตัว คือ ยีน 2 และยีน 1 มีจุดเริ่มต้นการแปลแบบ in-frame ภายใน ทำให้เกิดโปรตีนเพิ่มเติมอีกสองตัว คือ p10 และ p11 จีโนมยังประกอบด้วยลำดับระหว่างยีนที่ไม่เข้ารหัสสั้นๆ[ 15 ]ลำดับ M13 และ f1 แตกต่างจาก fd เล็กน้อย ทั้งสองมีนิวคลีโอไทด์เพียง 6407 ตัว f1 แตกต่างจาก fd ใน 180 ตำแหน่ง (มีเพียง 10 การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ที่สะท้อนให้เห็นในการเปลี่ยนแปลงกรดอะมิโนในผลิตภัณฑ์ยีน) [ 16 ]และ M13 มีความแตกต่างจาก f1 เพียง 59 นิวคลีโอไทด์ สำหรับวัตถุประสงค์หลายประการ ฟาจในกลุ่ม Ff สามารถถือได้ว่าสามารถใช้แทนกันได้
ผลิตภัณฑ์ยีนห้าชนิดเป็นส่วนหนึ่งของไวริออน ได้แก่ โปรตีนเปลือกหลัก (p8) และโปรตีนรองที่ปิดปลายทั้งสองข้าง คือ p3 และ p6 ที่ปลายด้านหนึ่ง และ p7 และ p9 ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ผลิตภัณฑ์ยีนสามชนิด (p2, p5 และ p10) เป็นโปรตีนไซโตพลาสมิกที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ DNA และส่วนที่เหลือเป็นโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการประกอบไวริออน[ 17 ]
| ไวรัสอินโน | |
|---|---|
| การจำแนกประเภทไวรัส | |
| (ไม่จัดอันดับ): | ไวรัส |
| อาณาจักร: | เอฟูนาวีเรีย |
| อาณาจักร: | โลบวิราเอ |
| ไฟลัม: | ฮอฟเนวิริโคตา |
| ระดับ: | ฟาเซอร์วิริเซเตส |
| คำสั่ง: | ทูบูลาไวรัลส์ |
| ตระกูล: | อินโนวิริเด |
| ประเภท: | ไวรัสอินโน |
ยีนที่เข้ารหัส p1 ถูกใช้เป็นยีนเครื่องหมายอนุรักษ์ พร้อมกับคุณลักษณะเฉพาะอื่นๆ อีก 3 ประการสำหรับจีโนมของไวรัสอินโน ในแนวทางการเรียนรู้ของเครื่องอัตโนมัติเพื่อระบุลำดับที่คล้ายไวรัสอินโนมากกว่า 10,000 ลำดับจากจีโนมของจุลินทรีย์[ 18 ]
วงจรการจำลองแบบ
การติดเชื้อ
โปรตีน p3 ยึดติดกับปลายด้านหนึ่งของไวริออนโดยโดเมน C-terminal ของ p3 การติดเชื้อในแบคทีเรียเจ้าบ้านเกี่ยวข้องกับการโต้ตอบของบริเวณ N-terminal สองส่วนที่แตกต่างกันของ p3 กับสองตำแหน่งที่แตกต่างกันของแบคทีเรียเจ้าบ้าน ขั้นแรก โดเมน N2 ของ p3 จะยึดติดกับปลายด้านนอกของ F- pilusและ pilus จะหดตัวเข้าไปในเซลล์ การหดตัวนี้อาจเกี่ยวข้องกับการสลายตัวของชุดย่อยของ pilus เข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์ที่ฐานของ pilus โดยการย้อนกลับกระบวนการเจริญเติบโตและการสร้างพอลิเมอร์ของ pilus [ 1 ] [ 19 ] [ 20 ]เมื่อปลายของ pilus ที่มี p3 เข้าใกล้ผนังเซลล์โดเมน N1 ของ p3 จะโต้ตอบกับโปรตีน TolQRA ของแบคทีเรียเพื่อทำให้การติดเชื้อเสร็จสมบูรณ์และปล่อยจีโนมเข้าไปในไซโตพลาสซึมของเจ้าบ้าน[ 21 ] [ 22 ]
การจำลองแบบ
หลังจากดีเอ็นเอสายเดี่ยวของไวรัสเข้าสู่ไซโตพลาสซึมแล้ว มันจะทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์ดีเอ็นเอสายเสริม การสังเคราะห์นี้เริ่มต้นในบริเวณระหว่างยีนของลำดับดีเอ็นเอโดยเอนไซม์อาร์เอ็นเอพอลิเมอเรสของโฮสต์ ซึ่งจะสังเคราะห์ไพรเมอร์อาร์เอ็นเอสั้นๆ บนดีเอ็นเอที่ติดเชื้อเป็นแม่แบบ จากนั้นเอนไซม์ดีเอ็นเอพอลิเมอเรส III ของโฮสต์จะใช้ไพรเมอร์นี้ในการสังเคราะห์ดีเอ็นเอสายเสริมที่สมบูรณ์ ทำให้ได้ดีเอ็นเอแบบวงกลมสองสาย ซึ่งบางครั้งเรียกว่าดีเอ็นเอรูปแบบการจำลองแบบ (RF) ดีเอ็นเอสายเสริมของ RF เป็นแม่แบบการถอดรหัสสำหรับโปรตีนที่เข้ารหัสโดยฟาจ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง p2 และ p10 ซึ่งจำเป็นสำหรับการจำลองแบบดีเอ็นเอต่อไป
โปรตีน p2 จะตัดสายดีเอ็นเอของไวรัส RF และเอนไซม์ดีเอ็นเอพอลิเมอเรส III ของโฮสต์จะสังเคราะห์สายไวรัสใหม่ สายไวรัสเก่าจะถูกแทนที่เมื่อสายใหม่ถูกสังเคราะห์ขึ้น เมื่อวงจรสมบูรณ์ โปรตีน p2 ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์จะตัดสายไวรัสที่ถูกแทนที่ตรงจุดเชื่อมต่อระหว่างดีเอ็นเอเก่าและดีเอ็นเอที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ และเชื่อมต่อปลายทั้งสองเข้าด้วยกันอีกครั้ง พร้อมทั้งปลดปล่อยโปรตีน p2 ออกมา RF จะจำลองตัวเองด้วย กลไก วงจรหมุน นี้ เพื่อสร้างสำเนาของ RF ได้หลายสิบชุด
เมื่อความเข้มข้นของโปรตีนฟาจเพิ่มขึ้น สายไวรัสใหม่จะถูกเคลือบด้วยโปรตีนการจำลอง/การประกอบ p5 แทนที่จะเป็นสาย DNA เสริม p5 ยังยับยั้งการแปลของ p2 ดังนั้นการผลิตและการบรรจุ ssDNA ของไวรัสลูกหลานจึงเกิดขึ้นพร้อมกัน[ 6 ]
การประกอบและการอัดขึ้นรูป
การติดเชื้อไม่ฆ่าแบคทีเรียเจ้าบ้าน[ 23 ]ซึ่งตรงกันข้ามกับตระกูลฟาจอื่นๆ ส่วนใหญ่ ฟาจลูกหลานจะถูกประกอบขึ้นเมื่อพวกมันแทรกตัวผ่านเยื่อหุ้มของแบคทีเรียที่กำลังเติบโต โดยอาจเกิดขึ้นที่บริเวณยึดเกาะที่เชื่อมต่อเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอก โปรตีนฟาจทั้งห้าที่ประกอบเป็นเปลือกของฟาจที่สมบูรณ์จะเข้าสู่เยื่อหุ้มชั้นใน สำหรับ p8 และ p3 ลำดับนำ N-terminal (ซึ่งจะถูกกำจัดออกในภายหลัง) ช่วยให้โปรตีนเข้าสู่เยื่อหุ้มแบคทีเรีย โดยให้ N-terminus หันออกจากไซโตพลาสซึมไปยังเพริพลาสซึมโปรตีนเยื่อหุ้ม ฟาจอีกสามตัว ที่ไม่ได้อยู่ในฟาจ ได้แก่ p1, p11 และ p4 ก็มีส่วนร่วมในการประกอบเช่นกัน การจำลองแบบของ RF DNA จะถูกแปลงเป็นการผลิต ssDNA ของฟาจโดยการเคลือบ DNA ด้วย p5 เพื่อสร้างคอมเพล็กซ์การจำลองแบบ/การประกอบ p5/DNA ที่ยาวขึ้น ซึ่งจากนั้นจะโต้ตอบกับโปรตีนฟาจที่ยึดติดกับเยื่อหุ้มเซลล์ กระบวนการอัดรีดจะรับโปรตีน p7 และ p9 ซึ่งก่อตัวเป็นปลายด้านนอกของฟาจลูกหลาน เมื่อ p5 ถูกแยกออกจาก DNA DNA ลูกหลานจะถูกอัดรีดข้ามเยื่อหุ้มเซลล์และห่อหุ้มด้วยปลอกเกลียวของ p8 ซึ่ง p3 และ p6 จะถูกเพิ่มเข้าไปในตอนท้ายของการประกอบ โปรตีน p4 อาจก่อตัวเป็นรูพรุนการอัดรีดในเยื่อหุ้มเซลล์ด้านนอก[ 14 ]
ปฏิสัมพันธ์ของสัญญาณ DNA บรรจุภัณฑ์แบบสองสายกับคอมเพล็กซ์ p1-thioredoxin ที่เยื่อหุ้มเซลล์ชั้นในของโฮสต์จะกระตุ้นการสร้างรูพรุน โปรตีน p1 ประกอบด้วยโมทีฟ Walkerซึ่งจำเป็นสำหรับการประกอบฟาจ[ 24 ]แสดงให้เห็นว่า p1 เป็นมอเตอร์โมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับการประกอบฟาจ โปรตีน p1 มีโดเมนไฮโดรโฟบิกที่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โดยส่วนปลาย N อยู่ในไซโตพลาสม์และส่วนปลาย C อยู่ในเพริพลาสม์ (กลับทิศทางของ p8) ติดกับด้านไซโตพลาสม์ของโดเมนที่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์คือลำดับ 13 เรซิเดิวของ p1 ที่มีรูปแบบของเรซิเดิวพื้นฐานที่ตรงกับรูปแบบของเรซิเดิวพื้นฐานใกล้ปลาย C ของ p8 อย่างใกล้เคียง แต่กลับด้านเมื่อเทียบกับลำดับนั้น[ 25 ]
สามารถสร้างโครงสร้างระดับกลางของ p8 ได้โดยการบำบัดฟาจด้วยคลอโรฟอร์ม[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]ปริมาณเฮลิกซ์ของ p8 ในรูปแบบระดับกลางเหล่านี้คล้ายกับในฟาจ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างระหว่างการประกอบอาจเกี่ยวข้องกับการเลื่อนของซับยูนิต p8 ที่ซ้อนกันเมื่อเทียบกับเพื่อนบ้านในการประกอบเท่านั้น[ 29 ] [ 30 ]
แอปพลิเคชัน
วิทยาศาสตร์ชีวภาพและการแพทย์
ฟาจ Ff ได้รับการดัดแปลงทางวิศวกรรมเพื่อการประยุกต์ใช้ในวิทยาศาสตร์ชีวภาพและการแพทย์ การประยุกต์ใช้หลายอย่างสร้างขึ้นจากการทดลอง[ 12 ]ที่แสดงให้เห็นว่าลำดับ DNA ที่กำหนดความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะคานามัยซินสามารถแทรกในรูปแบบที่ใช้งานได้ลงในลำดับระหว่างยีนที่ไม่เข้ารหัสของ DNA ฟาจ fd ฟาจที่ดัดแปลงดังกล่าวจะยาวกว่าฟาจ fd แบบเส้นใยชนิดดั้งเดิม เนื่องจาก DNA ที่ยาวกว่าจะถูกเคลือบด้วยโปรตีนเคลือบยีน 8 มากขึ้น แต่รอบชีวิตของฟาจจะไม่ถูกรบกวน ในทางกลับกัน ฟาจรูปทรง "ลูกอ๊อด" หรือรูปทรงไอโซเมตริกแบบดั้งเดิม ซึ่งมีแคปซิดขนาดจำกัด ไม่สามารถใช้ห่อหุ้มโมเลกุล DNA ขนาดใหญ่ได้ง่ายนัก ฟาจที่ดัดแปลงสามารถคัดเลือกได้โดยการติดเชื้อแบคทีเรียที่ไวต่อคานามัยซินด้วยฟาจที่ดัดแปลงเพื่อแนะนำความต้านทานต่อคานามัยซิน และเพาะเลี้ยงแบคทีเรียที่ติดเชื้อในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีความเข้มข้นของคานามัยซินที่อาจเป็นอันตรายถึงชีวิตได้
ผลลัพธ์นี้ได้รับการขยายโดยการแทรก DNA ต่างประเทศที่แสดงเปปไทด์ต่างประเทศเข้าไปในยีน 3 ของฟาจ fd แทนที่จะแทรกเข้าไปในลำดับระหว่างยีน เพื่อให้เปปไทด์ต่างประเทศปรากฏบนพื้นผิวของฟาจเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนดูดซับของยีน 3 [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]จากนั้นฟาจที่บรรจุเปปไทด์ต่างประเทศสามารถตรวจจับได้โดยใช้แอนติบอดีที่เหมาะสม วิธีการย้อนกลับของวิธีนี้คือการแทรก DNA ที่เข้ารหัสแอนติบอดีเข้าไปในยีน 3 และตรวจจับการมีอยู่ของแอนติบอดีโดยใช้แอนติเจนที่เหมาะสม[ 34 ]
เทคนิคเหล่านี้ได้รับการขยายออกไปในหลายๆ ด้านตลอดหลายปีที่ผ่านมา ตัวอย่างเช่น โดยการแทรก DNA ต่างประเทศเข้าไปในยีนที่เข้ารหัสโปรตีนเปลือกของฟาจที่ไม่ใช่ยีน 3 และ/หรือการทำสำเนาของยีนที่สนใจเพื่อแก้ไขเฉพาะผลิตภัณฑ์ยีนที่เกี่ยวข้องบางส่วนเท่านั้น เทคโนโลยีการแสดงผลฟาจได้รับการใช้อย่างกว้างขวางเพื่อวัตถุประสงค์หลายประการ[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]
วิทยาศาสตร์วัสดุและนาโนเทคโนโลยี
ฟาจ Ff ได้รับการดัดแปลงเพื่อการใช้งานต่างๆ เช่น การบำบัด การทำงานทางไฟฟ้าเคมี โฟโตโวลตาอิก ตัวเร่งปฏิกิริยา การตรวจจับ และอุปกรณ์หน่วยความจำดิจิทัล โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยAngela Belcherและเพื่อนร่วมงาน[ 6 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- ไวรัลโซน
- เอทีซีซีเอฟดี
- เอทีซีซี เอ็ม13