Bacteriofaag T4, ook wel T4-faag, is een bacteriofaag die de bacterie Escherichia coli infecteert. Het virus bezit een dubbelstrengs DNA-genoom van circa 169 kilobasen. Het genoom zit verpakt in een langgerekte icosaëdrische kop met een contractiele staart waarmee het virus vasthecht aan de bacteriële gastheer. De T4-faag werd in de jaren 1940 geïsoleerd en groeide uit tot een klassiek modelsysteem binnen de moleculaire biologie en de genetica.
De faag vermenigvuldigt zichzelf via een lytische cyclus. Na vasthechting injecteert de faag zijn DNA in de bacteriële cel. De enzymen in het cytoplasma verzorgen de replicatie en transcriptie van het virale DNA. Nieuwe faagdeeltjes vormen zich binnen het cytoplasma en verlaten de cel uiteindelijk door middel van lyse. De T4-faag kent geen lysogene cyclus zoals bij bijvoorbeeld de λ-faag.
Bacteriofaag T4 speelde een belangrijke rol gespeeld in de vroege moleculaire genetica. Onderzoek met T4-mutanten leverde begin jaren 1960 belangrijk bewijs dat de genetische code in groepen van drie nucleotiden wordt gelezen. Daarnaast heeft T4 inzichten geleverd in de mechanismen van replicatie en genetische recombinatie. Ook praktisch liet de T4-faag zijn sporen na: enzymen zoals T4 DNA-ligase groeiden uit tot veelgebruikte tools in de moleculaire biologie.
Structuur en genoom
Structuur van de T4-faag, met eiwitten en substructuren aangegeven
Bacteriofaag T4 is een relatief groot en complex virusdeeltje. De capside (kop) is ongeveer 200 nm lang en 86 nm breed, en heeft de vorm van een verlengde icosaëder. De kop bevat het dubbelstrengs DNA (dsDNA) van het virus. Het genoom is relatief groot voor een virus: ongeveer 169.000 basenparen die coderen voor 289 eiwitten. De capside bestaat voornamelijk uit het eiwit gp23 en wordt aan de buitenzijde gestabiliseerd door de eiwitten Hoc en Soc. Via een gespecialiseerd eiwitcomplex (portal) staat de kop in verbinding met de staart.
De ongeveer 140 nm lange staart bevat een holle buis (tail tube) omgeven door een samentrekbare eiwitmantel (contractile tail sheath). Aan het uiteinde bevindt zich een complex (baseplate), die specifieke receptoren op E. coli herkennen. Na aanhechting verandert dit complex van conformatie en trekt de eiwitmantel samen, waardoor de buis door de celwand van de bacterie tunnelt. Het virale DNA wordt vervolgens via deze buis in de gastheercel gebracht.
Infectiecyclus
Bacteriofaag T4 is een virulente, obligaat lytische faag, anders dan temperente fagen zoals bacteriofaag λ. De infectie begint wanneer de staartstructuur (tail fibers) van faag-T4 binding aangaat met specifieke receptoren op het oppervlak van E. coli, zoals LPS en OmpC (een porine). Het dubbelstrengs DNA-genoom komt vervolgens in het cytoplasma van de bacterie terecht.
Lytische cyclus van T4
Vrijwel onmiddellijk begint de expressie van vroege T4-genen. De faag gebruikt hiervoor het RNA-polymerase van de gastheercel, maar verandert de activiteit en specificiteit ervan met eigen eiwitten, waaronder Alt. Tegelijk wordt het chromosomale DNA van E. coli afgebroken. Vervolgens worden genen actief die onder meer betrokken zijn bij replicatie en recombinatie van het T4-DNA. De gevormde DNA-moleculen worden daarbij aaneengeschakeld (concatemers).
Tijdens de latere fase worden de structuureiwitten van het virus geproduceerd. De kop, staart en lange staartvezels worden grotendeels onafhankelijk van elkaar opgebouwd. Het DNA wordt met behulp van een ATP-afhankelijke moleculaire motor in lege capsiden verpakt.
Onder gunstige omstandigheden lyseert een geïnfecteerde E. coli-cel na ongeveer 20-30 minuten. Viraal-gecodeerd endolysine (T4 lysozyme) breekt de peptidoglycaanlaag van binnen af. Hierdoor breekt de cel open en komen doorgaans ongeveer honderd tot enkele honderden nieuwe faagdeeltjes vrij.
↑(en) Rao VB, Fokine A, Fang Q, Shao Q.(2023).Bacteriophage T4 Head: Structure, Assembly, and Genome Packaging. Viruses15(2): 527. DOI: 10.3390/v15020527.
↑(en) Chen Z, Sun L, Zhang Z, Fokine A, Padilla-Sanchez V, Hanein D, Jiang W, et al.(2017).Cryo-EM structure of the bacteriophage T4 isometric head at 3.3-Å resolution and its relevance to the assembly of icosahedral viruses. Proceedings of the National Academy of Sciences114(39). DOI: 10.1073/pnas.1708483114.
123(en) Yap ML, Rossmann MG.(2014).Structure and Function of Bacteriophage T4. Future Microbiology9(12): 1319-1327. DOI: 10.2217/fmb.14.91.
↑(en) Hinton DM.(2010).Transcriptional control in the prereplicative phase of T4 development. Virology Journal7(1). DOI: 10.1186/1743-422X-7-289.
Afbeeldingen op Wikimedia Commons
Escherichia-virus T4 op Wikispecies
