Развитие представлений о лизогении

Открытие лизогенных бактерий, способных подвергаться спонтанному ли­зису, привело к появлению гипотез о бактериальном происхождении фага. Д'Эрелль и другие сторонники вирусной природы фага отрицали суще­ствование лизогенных бактерий, считая, что они лишь загрязнены фагом. Однако вскоре были установлены факты, свидетельствующие о существо­вании лизогенных бактерий. В 1921 г. О. Байль обнаружил спонтанный лизис бактериальной культуры, ранее не проявлявшей признаков лизиса. Из единичных колоний Е. coli были выделены клоны, одни из которых продуцировали фаг, а другие не обладали этим свойством. Наконец Е. Мак-Кинли (1925) установил сохра­нение лизогенными бактериями способности образовывать фаг даже после продолжительного выращивания в присутствии антифаговой сыворотки. Это доказало независимость спонтанного лизиса от наличия в культуре фага.

Мысль об отсутствии противоречия между существованием лизогенных бактерий и вирусной природой фага впервые высказал Бернет (1929). Он высказал гипотезу о том, что в лизогенных клетках фаг находится в неинфекционной форме в виде зачатка, способного под действием невыясненных причин превращаться в фаг. Оставалась неяс­ной природа «зачатка»: является ли он латентным вирусом или струк­турой, связанной с генетическим аппаратом клетки. Ответ на этот воп­рос дали исследования голландца Л. Доорен де Ионга(1931), установив­шего, что споры лизогенной культуры Вас. megaterium сохраняют свойство лизогенности при 100°. Поскольку фаги инактивируются уже при 75°, Доорен де Ионг высказал мысль, что «зачаток» не может быть латентным вирусом и что фаг образуется в лизогенных бактериях de novo.

Е. Вольман (1928) впервые связывает лизогению с наличием материальныхносителей наследствености, просто организованных и способных переда­ваться во внешней среде. Он постулирует наряду с хромосомным меха­низмом передачи наследственных признаков существование особого меха­низма их передачи — посредством окружающей клетку среды («инфекци­онная наследственность»). Гипотеза инфекционной наследственности, связавшая такие различные феномены как наследственность и инфекция, привела в дальнейшем к открытию эписом.

В 1933 г. супруги Е. и Е. Вольман высказали гипотезу, что фаг существует в двух формах — ин­фекционной и неинфекционной. По их мнению, имеет место чередование инфекционной и неинфекционной фаз в цикле размножения фага. Они предполагали, что фаги в лизогенных бактериях образуются при каждом делении клетки из структур, их не содержащих. Сохранение способности образовывать фаг в лизогенных бактериях осу­ществляется, по мнению авторов, благодаря наследственному аппарату клетки.

В 1938 г. американский биохимик Дж. Нортроп, прославившийся своими работами по получению протеолитических ферментов в кристаллической форме (Но­белевская премия, 1946), на основании произвольной аналогии меж­ду бактериофагом и ферментом желатиназой, секретируемым культурой лизогенной бактерии, высказал гипотезу, что фаги выделяются лизогенными бактериями в процессе их роста (гипотеза «секреции»). Эта гипо­теза вследствие высокого научного авторитета Нортропа получила призна­ние у большинства его современников.

Удобство экспериментов с фагами и такое же высокое содержание-ДНК в их нуклеопротеиде, как и в хромосомах высших организмов, вызвало огромный интерес к репродукции фагов как модели для выяснения природы гена. Именно удобство такой модели побудило физика-теоретика Макса Дельбрюка заняться в 1939 г. изучением вирусов бактерий.

С деятельностью Дельбрюка связан третий период в изучении фагов (1939—1953), когда сформировались основы современ­ного учения о вирусах бактерий. Этот период ознаменован фундамен­тальными исследованиями размножения фагов, их генетических свойств, морфологии частиц, раскрытием природы лизогении, разрешением про­тиворечий между вирусной и генной теориями, а также открытием ге­нетической роли ДНК.

В 1939 г. М. Дельбрюк совместно с Э. Эллисом разработали метод изучения одиночного цикла размножения фагов, который лег в основу современных количественных исследований фагов. Применение этого метода по­зволило выявить в цикле размножения фага три этапа: адсорбцию фага бактерией, скрытый период и период лизиса («взрыва» клетки), сопровож­дающийся выделением нескольких десятков частиц фага. Было доказано, что обязательным условием высвобождения фага из бактериальной клет­ки является ее лизис. Но оставалось неясным, что происходит в зара­женной бактериальной клетке в скрытый период.

Применение генетических методов дало возможность обнаружить рекомбинанты в потомстве фагов, полученном при заражении бактерий мутантами двух близкородственных фагов (М. Дельбрюк, В. Бейли, 1946; А. Херши, 1946).

Открытие рекомбинантов у фагов положило начало новому направлению — генетике фагов. Применение генетических методов позволило А. Херши и Р. Ротман (1948, 1949) построить первую генетическую карту фага Т2, представленную тремя группами сцепления. За работы по генетике бактерий и вирусов М. Дельбрюку, А. Херши и С. Луриа в 1969 г. была присуждена Нобелевская премия.

Важное значение имело применение при исследовании фагов элект­ронной микроскопии, меченых атомов и других методов микроанализа. Электронномикроскопические исследования (С. Луриа, Т. Андерсон, 1942) вскрыли сложное строение частицы фага Т2, состоящей из головки и от­ростка. Присоединение фага к поверхности клетки только отростком указывало на то, что он представляет собой струк­туру, обеспечивающую адсорбцию фага. О локализации ДНК в головке фага и ее значении свидетельствовали опыты по образованию «теней»— пустых белковых оболочек фага, освобожденных от ДНК осмотическим шоком (Р. Херриот, 1951).

Роль белка и ДНК фага при инфицировании бактерий была установлена А. Херши и М.Чейзом (1952) при помощи изотопов ¹⁴С и ¹⁵С. Первым этапом размножения фага является освобождение его ДНК из белкового чехла, который в дальнейшем перестает функциони­ровать. Одной ДНК достаточно, чтобы вызвать инфекцию. Тем самым было показано, что фаг как таковой не проникает в бактерию и что размножению фага дает начало не родительская частица, а ее ДНК.

Эта работа явилась вехой в развитии учения о вирусах бактерии. Она раскрыла функциональную роль компонентов частицы фагов, меха­низм заражения бактерий вирусом и убедительно доказала генетическую рольДНК вирусов бактерий. Хотя значение ДНК как наследственного вещества было установлено еще в 1944 г. при изучении трансформации пневмококка, только эта работа привела к резкому измене­нию взглядов на природу гена. Она поставила также ряд важнейших вопросов, определивших последующее развитие вирусологии: каков меха­низм репликации ДНК вирусов бактерий, каким образом вирусная ДНК определяет синтез специфических вирусных белков?