Escherichia virus P1
Escherichia virus P1 behoort tot de orde Caudovirales en de familie Myoviridae. Het wordt gewoonlijk aangeduid als faag P1 en was een van de eerste bacteriofagen die werden geïdentificeerd in de coliforme Escherichia coli. Het is de representatieve soort van een klein genus P1-virus binnen de Myoviridae, waartoe ook Aeromonas virus 43 behoort. Uitgebreide studies naar faag P1 hebben in belangrijke mate bijgedragen tot baanbrekende ontwikkelingen in de jaren 1960 in recombinant-DNA-technologieën waarbij plaatsspecifieke recombinatie, restrictiemodificatie en klonering van grote DNA-fragmenten een rol spelen.
De faag P1 heeft een grote icosahedrale kop met een diameter van ongeveer 65-85 nm die vastzit aan een karakteristieke lange staart van 220 nm lengte. Een buisvormig contractiel omhulsel omringt de staart die eindigt in een basisplaat en zes geknikte staartvezels van 90 nm lengte. De kop van de faag omvat een lineair dsDNA-genoom van 93 kb. De volledige genoomsequentie van faag P1 codeert voor ten minste 117 genen en bevat een grote karakteristieke sequentie-redundantie aan elk 5′- en 3′-uiteinde. Deze redundante sequenties zijn variabel in lengte en variëren van 10 tot 15 kb. Bij binnenkomst in een gastheercel ondergaat het virale DNA een snelle circularisatie door recombinatie tussen de overtollige sequenties. Deze homologe recombinatie wordt ondersteund door gastheer-gecodeerde recombinases of door een faaggestuurd, plaatsspecifiek cre-lox recombinatiesysteem. In het laatste geval vindt recombinatie plaats tussen twee loxP-plaatsen die zich bevinden op de terminale redundante regio’s van het virale genoom, geholpen door het door fagen gecodeerde “cre”-eiwit.
Net als andere caudovirussen is faag P1 een gematigde bacteriofaag die een lysogene of lytogene levensstijl kan aannemen. De beslissing om een lytische of lysogene fase in te gaan hangt af van de gastheeromgeving en factoren die van invloed zijn op de transcriptie van een monomere C1 repressormolecule die de immuniteit van faag P1 regelt. Tijdens de lysogene fase repliceert het gecirculariseerde faag-DNA (profaag genoemd) zich in het cytoplasma van de gastheer als een plasmide met een laag kopiegetal vanuit een origin of replication (oriR) met behulp van diverse door het faag gecodeerde eiwitten die ook de lytische fase onderdrukken. Het plasmide-profaag is zeer stabiel en wordt geërfd door dochtercellen na celdeling van de bacteriële gastheer. Vandaar dat replicatie en partitionering van de faag P1 in dochtercellen strak gereguleerd is. Een voor de faag gecodeerd eiwit RepA neemt samen met geiterateerde herhaalde sequenties op incA- en incC-locaties deel aan de replicatie van de plasmide-profaag. De replicatie wordt ook beïnvloed door de methyleringsstatus van de oriR-sequentie op het faaggenoom en de oriC-sequentie op het bacteriegenoom. Gastheerfactoren zoals DnaA, HU en diverse chaperones nemen deel aan de modificatie van RepA en de replicatie van het gecirculariseerde profaagplasmide. Evenals bacteriofagen P7 en P22 (die Salmonella sp. infecteren) maakt faag P1 gebruik van twee repressormoleculen (C1-eiwit en een C4 RNA) om de lytische fase te onderdrukken. Andere regulatoren zijn faag-gecodeerde transfer-RNA-moleculen, een DNA-methyltransferase (MTR), transcriptionele antiterminatoren (Coi en Ant1/2), en een co-repressoreiwit Lxc. Inductie van de profaag is zeldzaam, maar treedt op als reactie op UV-beschadiging en veranderingen in de voedingswaarde van de omgeving van de gastheer. Een gastheertranscriptiefactor LexA-eiwit is betrokken bij het inductieproces. De faag P1 gebruikt een andere replicatieoorsprong (oriL) binnen het gen dat codeert voor het RepL-eiwit voor de lytische fase. Ongeveer 37 virale operons worden tijdens de lytische fase getranscribeerd door het bacteriële RNA-polymerase. Het holoenzym van de polymerase wordt gevormd in aanwezigheid van een door het faag gecodeerd Lpa-eiwit waarvan de niveaus op hun beurt worden gereguleerd door het C1-repressormolecuul en een bacterieel stringent verhongeringseiwit SspA.
Een belangrijk kenmerk van het virus is de “gegeneraliseerde transductie”, waarbij in plaats van het eigen DNA grote fragmenten van het bacteriële gastheer-DNA in de faagkop worden verpakt. In tegenstelling tot de lambda-faag, kan gegeneraliseerde transductie door de faag P1 ongeveer 100 kb gastheer-DNA mobiliseren tussen twee bacteriële gastheerstammen. Na transductie in een ontvangende bacteriestam integreren de bacteriële genen af en toe in het gastheergenoom door plaatsspecifieke recombinatie. Als gevolg hiervan loogt de getransduceerde bacterie niet en ondervindt geen toxiciteit van de virusinfectie.
Het gastheerbereik van faag P1 is E. coli die behoort tot de Gammaproteobacteria en Enterobacteriaceae. Daarom weerspiegelt de verspreiding van deze faag die van zijn alomtegenwoordige gastheer. De transmissie van het virus impliceert een uniforme penetratie van de binnenste staartbuis in het periplasma van E. coli en een verschuiving van de basisplaat weg van het buitenmembraan tijdens het samentrekken van de staart. De staartvezels binden zich aan een specifieke gastheerreceptor die een glucosemotief is op de lipopolysaccharidekern van het buitenmembraan van de bacterie. Een lytisch trans-glycosylase vergemakkelijkt de penetratie van de bacteriële celwand en het uitwerpen van faag-DNA in de gastheer. Er wordt snel een “Sim”-eiwit geproduceerd dat immuniteit verleent aan de bacteriële gastheer en andere binnendringende fagen uitsluit. Bij binnenkomst in de gastheer blijft het binnengebrachte DNA gebonden aan twee door de faag gecodeerde eiwitten, DarA en DarB genaamd (een MTR en helicase), die het virale DNA resistent maken tegen digestie door enterobacteriële type I restrictie-endonucleasen. Aangezien de E. coli glycolipide receptor voor faag P1 veel voorkomt in verscheidene Gram-negatieve bacteriën, kan het virusdeeltje adsorberen aan de buitenwand en DNA injecteren in het cytoplasma van vele bacteriën. In deze bacteriesoorten kan het virus echter geen replicatie ondergaan. De ontdekking van sequenties die lijken op faag P1 Cre recombinases in metaviromen uit complexe milieus en enterobacteriën suggereert dat verder werk nodig is om de biologie van deze fagen in verschillende milieus en gastheren te ontrafelen. Vergelijkende genoomsequenering van P1-gerelateerde virussen (bv. ongeclassificeerde Punalikevirus viz. faag D6, faag phiW39, faag RCS47, en faag SJ46 geïdentificeerd uit verschillende enterobacteria) zal waarschijnlijk inzichten onthullen in nieuwe processen van virale DNA verpakking, plaats-specifieke recombinatie, en immuniteit.