Escherichia virus P1
Escherichia virus P1 appartiene all’ordine Caudovirales e alla famiglia Myoviridae. Viene comunemente chiamato fago P1 ed è stato uno dei primi batteriofagi ad essere identificato nel coliforme Escherichia coli. È la specie rappresentativa di un piccolo genere di virus P1 all’interno di Myoviridae, che comprende anche il virus 43 di Aeromonas. Studi approfonditi sul fago P1 hanno contribuito significativamente agli sviluppi pionieristici degli anni ’60 nelle tecnologie del DNA ricombinante che coinvolgono la ricombinazione sito-specifica, la modifica della restrizione e la clonazione di grandi frammenti di DNA.
Il fago P1 ha una grande testa icosaedrica di circa 65-85 nm di diametro attaccata a una caratteristica lunga coda di 220 nm di lunghezza. Una guaina contrattile simile a un tubo circonda la coda che termina con una piastra di base e sei fibre di coda piegate di 90 nm di lunghezza. La testa del fago comprende un genoma lineare di dsDNA di 93 kb. La sequenza completa del genoma del fago P1 codifica almeno 117 geni e contiene una grande ridondanza di sequenza caratteristica ad ogni estremità 5′ e 3′. Queste sequenze ridondanti sono di lunghezza variabile e vanno da 10 a 15 kb. All’ingresso in una cellula ospite, il DNA virale subisce una rapida circolarizzazione per ricombinazione tra le sequenze ridondanti. Questa ricombinazione omologa è aiutata da ricombinasi codificate dall’ospite o da un sistema di ricombinazione cre-lox sito-specifico guidato da un fago. In quest’ultimo caso, la ricombinazione procede tra due siti loxP situati nelle regioni terminali ridondanti del genoma virale, aiutata dalla proteina “cre” codificata dal fago.
Come altri caudovirus, il fago P1 è un batteriofago temperato che può adottare stili di vita lisogenici o litici. La decisione di entrare in una fase litica o lisogenica dipende dall’ambiente dell’ospite e da fattori che influenzano la trascrizione di una molecola repressiva C1 monomerica che regola l’immunità del fago P1. Durante la lisogenia, il DNA fagico circolarizzato (chiamato profago) si replica nel citoplasma dell’ospite come un plasmide a basso numero di copie da un’origine di replicazione (oriR) utilizzando varie proteine codificate dal fago che reprimono anche la fase litica. Il plasmide profago è altamente stabile e viene ereditato dalle cellule figlie dopo la divisione cellulare dell’ospite batterico. Quindi la replicazione e la suddivisione del fago P1 nelle cellule figlie è strettamente regolata. Una proteina RepA codificata dal fago insieme a sequenze ripetute iterate nei siti incA e incC partecipa alla replicazione del plasmide profago. La replicazione è anche influenzata dallo stato di metilazione della sequenza oriR sul genoma del fago e della sequenza oriC sul genoma batterico. Fattori dell’ospite come DnaA, HU, e vari chaperoni partecipano alla modifica di RepA e alla replicazione del plasmide prophage circolarizzato. Come i batteriofagi P7 e P22 (che infettano Salmonella sp.), il fago P1 impiega due molecole repressorie (la proteina C1 e un RNA C4) per sopprimere la fase litica. Altri regolatori includono molecole di RNA di trasferimento codificate dal fago, una metiltransferasi del DNA (MTR), antiterminatori trascrizionali (Coi e Ant1/2), e una proteina co-repressore Lxc. L’induzione del profago è rara ma si verifica in risposta ai danni UV e ai cambiamenti nutrizionali nell’ambiente dell’ospite. Una proteina LexA, fattore trascrizionale dell’ospite, è coinvolta nel processo di induzione. Il fago P1 utilizza una diversa origine di replicazione (oriL) situata all’interno del gene che codifica la proteina RepL per la fase litica. Circa 37 operoni virali sono trascritti durante la fase litica dalla RNA polimerasi batterica. L’oloenzima della polimerasi si forma in presenza di una proteina Lpa codificata dal fago, i cui livelli sono regolati a loro volta dalla molecola repressore C1 e dalla proteina SspA, una proteina batterica di inedia stringente.
Un’importante caratteristica del virus è la “trasduzione generalizzata”, dove invece del proprio DNA, grandi frammenti di DNA dell’ospite batterico sono impacchettati nella testa del fago. A differenza del fago lambda, la trasduzione generalizzata da parte del fago P1 può mobilitare circa 100 kb di DNA ospite tra due ceppi batterici ospiti. Dopo la trasduzione in un ceppo batterico ricevente, i geni batterici occasionalmente si integrano nel genoma ospite per ricombinazione sito-specifica. Come risultato, il batterio trasdotto non si scioglie e non subisce alcuna tossicità dall’infezione del virus.
L’ospite del fago P1 è E. coli che appartiene ai Gammaproteobatteri e alle Enterobacteriaceae. Pertanto la distribuzione di questo fago riflette quella del suo ospite ubiquo. La trasmissione del virus comporta la penetrazione uniforme del tubo di coda interno nel periplasma di E. coli e lo spostamento della piastra di base lontano dalla membrana esterna durante la contrazione della coda. Le fibre della coda si legano a un recettore specifico dell’ospite che è una parte di glucosio sul nucleo lipopolisaccaridico della membrana batterica esterna. Una trans-glicosilasi litica facilita la penetrazione della parete cellulare batterica e l’espulsione del DNA del fago nell’ospite. Viene rapidamente prodotta una proteina “Sim” che conferisce immunità all’ospite batterico, escludendo altri fagi invasori. All’ingresso nell’ospite, il DNA introdotto rimane legato a due proteine codificate dal fago chiamate DarA e DarB (una MTR e un’elicasi) che rendono il DNA virale resistente alla digestione da parte delle endonucleasi di restrizione di tipo I degli enterobatteri. Poiché il recettore glicolipidico di E. coli per il fago P1 è comune in diversi batteri Gram-negativi, la particella virale può adsorbire sulla parete esterna e iniettare il DNA nel citoplasma di molti batteri. Tuttavia, non può subire una successiva replicazione in queste specie batteriche. La scoperta di sequenze simili alle ricombinasi Cre del fago P1 nei metaviromi di ambienti complessi e negli enterobatteri suggerisce che è necessario un ulteriore lavoro per svelare la biologia di questi fagi in diversi ambienti e ospiti. Il sequenziamento comparativo del genoma dei virus legati a P1 (ad esempio, Punalikevirus non classificati come il fago D6, il fago phiW39, il fago RCS47 e il fago SJ46 identificati da vari enterobatteri) è probabile che riveli intuizioni sui nuovi processi di imballaggio del DNA virale, ricombinazione sito-specifica e immunità.