P1 es un bacteriófago templado que infecta a Escherichia coli y algunas otras bacterias. Cuando se somete a un ciclo lisogénico, el genoma del fago existe como un plásmido en la bacteria [1] a diferencia de otros fagos (por ejemplo, el fago lambda ) que se integran en el ADN del huésped. P1 tiene una cabeza icosaédrica que contiene el ADN unido a una cola contráctil con seis fibras de la cola. El fago P1 ha ganado interés en la investigación porque puede usarse para transferir ADN de una célula bacteriana a otra en un proceso conocido como transducción . A medida que se replica durante su ciclo lítico, captura fragmentos del cromosoma del huésped. Si las partículas virales resultantes se utilizan para infectar a un huésped diferente, los fragmentos de ADN capturados pueden integrarse en el genoma del nuevo huésped. Este método de ingeniería genética in vivo se utilizó ampliamente durante muchos años y todavía se utiliza hoy en día, aunque en menor medida. P1 también se puede utilizar para crear el vector de clonación de cromosomas artificial derivado de P1 que puede transportar fragmentos de ADN relativamente grandes. P1 codifica una recombinasa específica de sitio, Cre, que se usa ampliamente para llevar a cabo recombinaciones de ADN específicas de células o de tiempo flanqueando el ADN objetivo con sitios loxP (consulte Recombinación Cre-Lox ).
El virión tiene una estructura similar al fago T4 pero más simple. [1] Tiene una cabeza icosaédrica [2] que contiene el genoma unido en un vértice a la cola. La cola tiene un tubo rodeado por una vaina contráctil. Termina en una placa base con seis fibras de la cola. Las fibras de la cola participan en la unión al huésped y proporcionan especificidad. [3]
El genoma del fago P1 es moderadamente grande, alrededor de 93 Kbp [1] de longitud (en comparación con los genomas de, por ejemplo, T4 - 169 Kbp, lambda - 48 Kbp y Ff - 6,4 Kbp). En la partícula viral tiene la forma de una molécula de ADN lineal de doble cadena. Una vez insertado en el huésped, circulariza y se replica como un plásmido. [4] [5]
En la partícula viral, la molécula de ADN es más larga (110 Kbp) que la longitud real del genoma. Se crea cortando un fragmento de tamaño apropiado de una cadena de ADN concatémérica que tiene múltiples copias del genoma (consulte la sección siguiente sobre lisis para saber cómo se hace). Debido a esto, los extremos de la molécula de ADN son idénticos. Esto se conoce como terminalmente redundante. Esto es importante para que el ADN se circularice en el huésped. Otra consecuencia del corte del ADN de un concatémero es que una molécula lineal determinada puede comenzar en cualquier lugar del genoma circular. Esto se llama permutación cíclica. [4]
El genoma es especialmente rico en secuencias Chi reconocidas por la recombinasa bacteriana RecBCD . El genoma contiene dos orígenes de replicación: oriR que lo replica durante el ciclo lisogénico y oriL que lo replica durante la etapa lítica. El genoma de P1 codifica tres ARNt que se expresan en la etapa lítica. [1]
Proteoma . El genoma de P1 codifica 112 proteínas y 5 genes no traducidos y tiene aproximadamente el doble del tamaño del bacteriófago lambda . [1]
La partícula del fago se adsorbe en la superficie de la bacteria utilizando las fibras de la cola para lograr especificidad. La vaina de la cola se contrae y el ADN del fago se inyecta en la célula huésped. La maquinaria de recombinación del ADN del huésped o la enzima cre traducida del ADN viral recombinan los extremos terminales redundantes y circularizan el genoma. Dependiendo de diversas señales fisiológicas, el fago puede pasar inmediatamente a la fase lítica o puede entrar en un estado lisogénico. [5]
El gen que codifica las fibras de la cola tiene un conjunto de secuencias que pueden ser dirigidas por una recombinasa Cin específica de sitio . Esto hace que el extremo C terminal de la proteína cambie entre dos formas alternativas a baja frecuencia. Las fibras de la cola viral son responsables de la especificidad de unión al receptor del huésped. Los objetivos de las fibras virales de la cola están bajo una presión constante para evolucionar y evadir la unión. Este método de diversidad recombinante de la cola permite que el virus se mantenga al día con la bacteria. [6] Este sistema tiene estrechas homologías de secuencia con los sistemas recombinacionales en las fibras de la cola de fagos no relacionados como el fago mu y el fago lambda .
El genoma del fago P1 se mantiene como un plásmido con un número de copias bajo en la bacteria. El tamaño relativamente grande del plásmido requiere [1] que mantenga un número de copias bajo para que no se convierta en una carga metabólica demasiado grande mientras sea un lisógeno. Como normalmente solo hay una copia del plásmido por genoma bacteriano, el plásmido tiene muchas posibilidades de no transmitirse a ambas células hijas. [5] El plásmido P1 combate esto mediante varios métodos:
El plásmido P1 tiene un origen de replicación separado (oriL) que se activa durante el ciclo lítico. La replicación comienza con una replicación theta bidireccional regular en oriL, pero más adelante en la fase lítica, cambia a un método de replicación de círculo rodante utilizando la maquinaria de recombinación del huésped. [1] [11] [12] Esto da como resultado que numerosas copias del genoma estén presentes en una sola molécula de ADN lineal llamada concatémero. Al final del concatémero se corta un sitio específico llamado sitio pac o sitio de empaquetamiento. [13] A esto le sigue el empaquetamiento del ADN en las cabezas hasta que estén llenas. El resto del concatémero que no cabe en un cabezal se separa y la maquinaria comienza a empaquetarlo en un nuevo cabezal. La ubicación del corte no es específica de la secuencia. Cada cabeza contiene alrededor de 110 kbp de ADN [13], por lo que hay un poco más de una copia completa del genoma (~90 kbp) en cada cabeza, siendo idénticos los extremos de la hebra en cada cabeza. Después de infectar una nueva célula, la maquinaria de recombinación del huésped utiliza esta redundancia terminal para ciclar el genoma si carece de dos copias del locus lox . [1] [13] Si hay dos sitios lox presentes (uno en cada extremo terminal redundante), la ciclación la lleva a cabo la recombinasa Cre. [1] [14]
Una vez que se ensamblan los viriones completos, la célula huésped se lisa y se liberan las partículas virales. [15]
P1 fue descubierto en 1951 por Giuseppe Bertani en el laboratorio de Salvador Luria , pero el fago fue poco estudiado hasta que Ed Lennox, también en el grupo de Luria, demostró en 1954-5 que podía transducir material genético entre bacterias huésped. Este descubrimiento llevó a que el fago se utilizara para el intercambio genético y el mapeo del genoma en E. coli y estimuló su estudio posterior como organismo modelo. [1] [16] [17] En la década de 1960, Hideo Ikeda y Jun-ichi Tomizawa demostraron que el genoma del ADN del fago era lineal y bicatenario, con redundancia en los extremos. En la década de 1970, Nat Sternberg caracterizó el sistema de recombinación de sitio específico Cre- lox , que permite que el genoma lineal se circularice para formar un plásmido después de la infección. Durante la década de 1980, Sternberg desarrolló P1 como vector para clonar grandes fragmentos de ADN eucariota. [16] Michael Yarmolinsky y Małgorzata Łobocka publicaron en 1993 un mapa del gen P1 basado en una secuencia parcial de ADN, y Łobocka y sus colegas secuenciaron completamente el genoma en 2004. [1] [17]