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Ciclo litico e ciclo lisogeno

Che cosa sono il ciclo ciclo litico e lisogeno?

Il ciclo litico e il ciclo lisogeno sono due vie alternative attraverso le quali i virus sfruttano gli apparati biochimici delle cellule ospiti per replicare il proprio genoma.

Nei paragrafi che seguono esamineremo:

1) Le capacità riproduttive dei virus

2) Le caratteristiche generali del ciclo litico

3) Le caratteristiche generali del ciclo lisogeno

4) Il ciclo litico nel batterio λ

5) Il ciclo lisogeno nel batterio λ

6) Passaggio dal ciclo lisogeno al ciclo litico

Le capacità riproduttive dei virus

Per loro natura i virus non sono in grado di replicare il proprio patrimonio genetico. Essi sono infatti costituiti unicamente da un involucro proteico contenente materiale genetico (DNA o RNA) e talvolta alcune proteine necessarie a permettere l’inserimento delle proprie sequenze nucleotidiche nei processi di trascrizione e traduzione delle cellule infettate. 

Devono pertanto utilizzare le risorse, gli enzimi e tutte il complesso apparato biochimico prodotti dalle cellule ospiti per poter replicare il proprio materiale, essendo pertanto definiti parassiti endocellulari obbligati.

Per assolvere a tale compito i virus possono ricorrere a due vie, ognuna delle quali caratterizzata da una determinata serie di reazioni, definite ciclo litico e ciclo lisogeno.

Durante il ciclo litico la cellula ospite va incontro a lisi cellulare e numerose copie del virus vengono rilasciate nella matrice extracellulare, in grado di infettare altre cellule; nel ciclo lisogeno invece il genoma virale si integra in quello dell’ospite e viene duplicato ogni qual volta la cellula stessa va incontro a replicazione.

I virus cosiddetti “temperati” sono in grado di passare da un ciclo all’altro in risposta a specifici segnali provenienti dalla cellula, generalmente determinati dallo stato di salute della cellula stessa.

Nei fagi, i virus che infettano i batteri, attraverso il ciclo lisogeno parte del genoma virale può talvolta rimanere permanentemente associato al genoma dell’ospite determinando l’acquisizione di nuovi caratteri.

Questa particolare via di trasferimento genico è sfruttata dai biotecnologi per la realizzazione di mutanti utili alla ricerca e alla produzione di sostanze farmaceutiche, oltre che nella cura di malattie mediante terapia genica.

Il ciclo litico: caratteristiche generali

Il ciclo litico rappresenta la via concettualmente più facilmente immaginabile di replicazione dei virus: un virus infetta la cellula ospite iniettando al suo interno il proprio materiale genetico; la cellula ospite non è in grado di distinguere tra il materiale genetico della cellula stessa e quello proveniente dall’infezione virale e inizia a trascrivere (nel caso di virus a DNA) e/o tradurre le informazioni contenute nel genoma virale.

In genere nelle sequenze codificate dal virus vi sono proteine in grado di escludere la traduzione del genoma cellulare in favore del genoma virale, così il virus prende il sopravvento sulla cellula ospite.

Le informazioni genetiche del virus guidano la replicazione del genoma in numerose copie e la realizzazione nonché l’assemblaggio delle proteine strutturali che andranno a formare il capside.

In ogni capside viene inserita una copia del materiale genetico virale e una volta che lo spazio e le risorse della cellula sono esauriti, altri enzimi virali conducono alla lisi cellulare e alla fuoriuscita dei virus neoformati.

Il ciclo lisogeno: caratteristiche generali

Nel ciclo lisogeno invece il virus non si replica nella sua interezza, ma si limita a replicare il proprio patrimonio genetico.

Una volta infettata la cellula ospite vengono tradotti geni implicati nell’inserzione del genoma virale all’interno di quello dell’ospite. L’inserzione avviene in corrispondenza di specifiche sequenze che interagiscono con la loro controparte virale grazie all’azione si specifici enzimi.

Una volta integrato nel genoma dell’ospite, quello del virus verrà riprodotto ad ogni divisione delle cellule fino all’insorgere di uno stato fisiologico caratteristico, il quale innesca una modificazione nella regolazione dell’espressione dei geni virali inducendo la traduzione di sequenze che codificano per l’inizio dei processi di escissione del genoma e l’avvio del ciclo litico.

ciclo litico e ciclo lisogeno nei fagi

Figura 1: ciclo litico e ciclo lisogeno nei fagi. Il genoma virale inerito nel genoma batterico nel ciclo lisogeno prende il nome di profago.

Ciclo litico e ciclo lisogeno nel fago λ

L’enterobacteria fago λ (o più semplicemente, fago λ) è un virus temperato in grado di infettare Escherichia coli in cui il processo molecolare che sottende alla realizzazione del ciclo litico e del ciclo lisogeno è stata ampiamente documentata.

Le prime fasi dell’infezione del fago portano, dopo la trasformazione del DNA da catena lineare a catena circolare, la trascrizione e traduzione di una serie di geni che codificano per prodotti cosiddetti “precoci immediati”. Tali molecole sono sotto il controllo di tre promotori:

Promotore L, che controlla l’espressione del gene N e di una regione N-dipendente in cui sono allocati i geni per CIII, Xis e Int;

Promotore R, che controlla l’espressione del gene Cro e un’altra regione N-dipendente che contiene le sequenze per CII,  l’origine della replicazione del genoma virale OP e il gene Q;

Promotore R' che controlla una regione, dipendente dalla proteina Q, che codifica per enzimi coinvolti nella sintesi delle proteine del capside e la lisi cellulare.

In questa fase la proteina Cro lega uno specifico sito OR3 e blocca la trascrizione di un altro gene, il gene CI, mentre la proteina N lega dei siti detti Nut sul gene Cro e sullo stesso gene N.

Immediatamente dopo inizia la fase “tardiva precoce”, in cui oltre ad un aumento della produzione di N, Cro e CIII inizia anche la produzione della proteina CII.

CII e CIII interagiscono tra loro in maniera tale che CIII protegga CII dall’attacco delle proteasi batteriche. La funzione di questo gruppo di molecole e sequenze geniche è molteplice: i geni Xis e Int codificano per sequenze che dirigono l’inserzione o l’escissione del genoma virale da quello batterico; il prodotto del gene CI è un inibitore della trascrizione e blocca la trascrizione del gene Cro agendo sul suo promotore.

CII dirige il resto del ciclo: se la cellula è sufficientemente in salute e in grado di produrre una quantità sufficiente di proteasi per idrolizzare CII, si innesca la sequenza di reazioni del ciclo litico altrimenti prevarrà il meccanismo di tipo lisogeno.

Ciclo Litico

Se CII è sufficientemente stabile i geni tardivo precoci continuano ad essere prodotti, si avvia la trascrizione del genoma virale e, per effetto dell’interazione della proteina Q con il sito Qnut si attiva attiva il promotore R’ che controlla i geni per la sintesi delle proteine strutturali e del virus e gli enzimi per la lisi delle strutture cellulari del batterio. I nuovi virus vengono assemblati e dopo la lisi della cellula rilasciati nell’ambiente.

Ciclo Lisogeno

Se CII è stabile, la sua presenza nella cellula porta all’attivazione di altri tre Promotori: antiq, RE e I.

Ne consegue la trascrizione di mRNA antisenso che spengono i geni Cro e Q, mentre un altro mRNA con funzione di attivatore attiva la trascrizione del gene CI, il quale a sua volta produce lo spegnimento dei geni per la produzione della proteina N.

Il promotore I attiva la produzione del gene Ins che spinge l’inserzione del genoma virale nel genoma batterico in corrispondenza delle sequenze attP (nel genoma virale) e attB (nel genoma batterico). 

Lo spegnimento nella produzione della proteina N contribuisce a fermare la produzione di Cro, a inibire la trascrizione del genoma virale e causa lo spegnimento della produzione di CII e CIII, rimane in produzione solo CI e il virus si mantiene in uno stato dormiente.

Passaggio dal ciclo lisogeno al ciclo litico nel fago λ

Nel caso in cui una cellula infettata in cui il fago si trovi in stato dormiente, il passaggio al ciclo litico è scatenato da un evento dannoso a carico della cellula che comporti il danneggiamento del DNA.

In quel caso una proteina prodotta dalla cellula, detta RecA, che fisiologicamente ha il compito di riparare il danno, determina il taglio della proteina CI. La proteina N viene nuovamente prodotta, i promotori L e R si attivano e il ciclo litico si avvia.

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