Enterobakteriophage PhiX174

Enterobakteriophage PhiX174
Elektronenmikroskopische Aufnahme von Phage ΦX174
Systematik
Klassifikation: Viren Realm: Monodnaviria Reich: Sangervirae Phylum: Phixviricota Klasse: Malgrandaviricetes Ordnung: Petitvirales Familie: Microviridae Unterfamilie: Bullavirinae Gattung: Sinsheimervirus Art: Escherichia virus phiX174
Taxonomische Merkmale
Genom: (+)ssDNA zirkulär Baltimore: Gruppe 2 Symmetrie: ikosaedrisch Hülle: keine
Wissenschaftlicher Name
Sinsheimervirus phiX174
Kurzbezeichnung
ΦX174
Links
NCBI Taxonomy: 10847, 2607483 ICTV Taxon History: 201853873

Der Enterobakteriophage PhiX174, offiziell Sinsheimervirus phiX174 (englisch Escherichia virus phiX174, Entero­bacteria phage phiX174, deutsch auch Bakterio­phage Phi X 174 oder Coliphage φX174, kurz ΦX174 genannt), ist ein einzelsträngiges DNA-Virus (ssDNA) positiver Polarität, das Bakterien der Art Escherichia coli infiziert. Es ist (mit Stand 5. Januar 2024) die einzige vom International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) offiziell anerkannte Spezies in der Virus­gattung Sinsheimervirus (veraltet Phix174­microvirus, auch Bakteriophage PhiX174 sensu lato oder ΦX174-Gruppe genannt), es gibt jedoch weitere Vorschläge (Phage MED1).

Struktur des Kapsids von ΦX174

Schemazeichnung eines Virusteilchens von Sinsheimervirus

Forschungsgeschichte

Das Genom von ΦX174 ist das erste DNA-basierte Genom, das vollständig sequenziert wurde, diese Arbeit wurde von Fred Sanger und seinem Team im Jahr 1977 abgeschlossen. Walter Fiers und Robert Sinsheimer hatten bereits 1962 nachgewiesen, dass die ΦX174-DNA ringförmig geschlossen ist. Nobelpreisträger Arthur Kornberg hatte 1967 am ΦX174 als Modell erstmals bewiesen, dass in einem Reagenzglas durch gereinigte Enzyme synthetisierte DNA alle Merkmale eines natürlichen Virus erzeugen kann, wodurch das Zeitalter der synthetischen Biologie eingeleitet wurde. In den Jahren 1972–1974 identifizierten Jerard Hurwitz, Sue Wickner und Reed Wickner zusammen mit Mitarbeitern die Gene, die zur Herstellung der Enzyme erforderlich sind, die eine Umwandlung der einzelsträngigen Form des Virus in die doppelsträngige, replikative Form katalysieren.

Im Jahr 2003 berichtete die Gruppe von Craig Venter, dass sie als erstes ein Virusgenom – das von ΦX174 – vollständig in vitro aus synthetisierten Oligonukleotiden zusammengesetzt hatten. Das Viruspartikel (Virion) von ΦX174 wurde ebenfalls in vitro erfolgreich zusammengesetzt. Kürzlich wurde gezeigt, wie das stark überlappende Genom vollständig dekomprimiert werden kann und trotzdem funktionsfähig bleibt.

Genom

Genom des Bakteriophagen ΦX174 mit seinen 11 Genen

ΦX174 hat eine zirkuläre einzelsträngige DNA (ssDNA) positiver Polarität. Das Genom besteht aus 5386 Nukleotiden, die 11 Proteine kodieren. Von diesen elf Genen sind nur acht für die virale Morphogenese essentiell. Der GC-Gehalt beträgt 44 % und 95 % der Nukleotide gehören zu kodierenden Genen.

Wirkungsweise

Die Infektion beginnt, wenn das G-Protein an Lipopolysaccharide auf der Oberfläche der bakteriellen Wirtszelle bindet. Das H-Protein steuert als DNA-Pilotprotein das virale Genom durch die Bakterienmembran der Colibakterien (Jazwinski et al. 1975) sehr wahrscheinlich über eine vermutete ‚N-terminale Transmembran-Helix‘ (Tusnády, Simon 2001). Es hat sich jedoch gezeigt, dass H-Protein ein multifunktionelles Protein ist (Cherwa, Young, Fane 2011). Es ist das einzige Kapsidprotein von ΦX174, das nicht in Kristallstruktur vorliegt. Es hat einen niedrigen Gehalt an aromatischen Aminosäuren und einen hohen Glycingehalt, wodurch die Proteinstruktur sehr flexibel wird. Zusätzlich induziert das H-Protein bei hohen Konzentrationen (also am Ende der Vermehrungsphase des Virus) die Lyse (Zerstörung) des bakteriellen Wirts, vermutlich indem die angenommene N-terminale Transmembranhelix Löcher durch die Bakterienwand bohrt. Zusätzlich wurde von Ruboyianes et al. 2009 festgestellt, dass das H-Protein für die optimale Synthese anderer viraler Proteine   erforderlich ist. Die Virusinkoporation verhindernde Mutationen im H-Protein können überwunden werden, wenn Protein B (das interne Gerüstprotein) im Überschuss zugeführt werden.

Etymologie

φX174 war im Labor von Félix d’Hérelle das 174. Virus der zehnten (römische Ziffer X) Serie von Phagen (griechischer Buchstabe φ ‚phi‘), die gegen mehrere Bakterien gerichtet sind.

Anmerkungen

ΦX174 wird regelmäßig als positive Kontrolle bei der DNA-Sequenzierung verwendet, und zwar aufgrund seiner relativ geringen Genomgröße im Vergleich zu anderen Organismen, seinem relativ ausgeglichenen Nukleotidgehalt – etwa 23 % Guanin, 22 % Cytosin, 24 % Adenin und 31 % Thymin, d. h. 45 % G+C und 55 % A+T.

Aufgrund seiner lytischen Fähigkeiten ist φX174 ein guter Kandidat für Phagentherapie.

Siehe auch

• Künstliche Gensynthese

Literatur

• P. D. Baas, G. P. van Heusden, J. M. Vereijken, P. J. Weisbeek, H. S. Jansz: Cleavage map of bacteriophage phiX174 RF DNA by restriction enzymes. In: Nucleic Acids Res., 3(8), August 1976, S. 1947–1960, PMC 343051 (freier Volltext), PMID 1085927

Weblinks

• David Goodsell: Bacteriophage phiX174. In: Molecule of the Month. RCSB-PDB, Februar 2000; abgerufen im 1. Januar 1 (englisch). 
• Master Species List 2018a v1 (ICTV)
• Phix174microvirus, auf ViralZone
• Coliphage phi-X174, complete genome, auf: Database: RefSeq, Entry: NC_001422, LinkDB: NC_001422
• ICTV Taxonomy, International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV)

Einzelnachweise

1. ICTV: ICTV Taxonomy history: Escherichia virus phiX174, EC 51, Berlin, Germany, July 2019; Email ratification March 2020 (MSL #35)
2. Simon J. Labrie, Marie-Ève Dupuis, Denise M. Tremblay, Pier-Luc Plante, Jacques Corbeil, Sylvain Moineau: A New Microviridae Phage Isolated from a Failed Biotechnological Process Driven by Escherichia coli (PDF) in: Journals ASM: Applied and Environmental Microbiology (AEM) Band 80 Nr. 22, November 2014, S. 6992–7000
3. F. Sanger, G. M. Air, B. G. Barrell, N. L. Brown, A. R. Coulson, J. C. Fiddes, C. A. Hutchison, P. M. Slocombe, M. Smith: Nucleotide sequence of bacteriophage ΦX174 DNA. In: Nature. 265. Jahrgang, Nr. 5596, 1977, S. 687–695, doi:10.1038/265687a0, PMID 870828, bibcode:1977Natur.265..687S (englisch). 
4. Walter Fiers, Robert L. Sinsheimer: The structure of the DNA of bacteriophage ΦX174. In: Journal of Molecular Biology. 5. Jahrgang, Nr. 4, 1962, S. 424, doi:10.1016/S0022-2836(62)80031-X (englisch). 
5. The Arthur Kornberg Papers. "Creating Life in the Test Tube", in: National Library of Medicine Profiles in Science, 1959-1970
6. Mehran Goulian, Arthur Kornberg, Robert L. Sinsheimer: Enzymatic Synthesis of DNA, XXIV. Synthesis of Infectious Phage ΦX174 DNA. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 58. Jahrgang, Nr. 6, 1967, S. 2321–2328, doi:10.1073/pnas.58.6.2321, PMID 4873588, PMC 223838 (freier Volltext), bibcode:1967PNAS...58.2321G (englisch). 
7. Sue Wickner, Jerard Hurwitz: Conversion of X174 Viral DNA to Double-Stranded Form by Purified Escherichia coli Proteins, in: Proc Natl Acad Sci USA 71(10), S. 4122–4124, November 1974, doi:10.1073/pnas.71.10.4120, PMID 4610569, PMC 434340 (freier Volltext)
8. Hamilton O. Smith, Clyde A. Hutchison, Cynthia Pfannkoch, J. Craig Venter: Generating a Synthetic Genome by Whole Genome Assembly: ΦX174 Bacteriophage from Synthetic Oligonucleotides. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 100. Jahrgang, Nr. 26, 2003, S. 15440–15445, doi:10.1073/pnas.2237126100, PMID 14657399, PMC 307586 (freier Volltext), bibcode:2003PNAS..10015440S (englisch). 
9. James E. Cherwa, Lindsey J. Organtini, Robert E. Ashley, Susan L. Hafenstein, Bentley A. Fane: In Vitro Assembly of the ΦX174 Procapsid from External Scaffolding Protein Oligomers and Early Pentameric Assembly Intermediates. In: Journal of Molecular Biology. 412. Jahrgang, Nr. 3, 2011, S. 387–396, doi:10.1016/j.jmb.2011.07.070, PMID 21840317 (englisch). 
10. Paul R. Jaschke, Erica K. Lieberman, Jon Rodriguez, Adrian Sierra, Drew Endy: A fully decompressed synthetic bacteriophage ΦX174 genome assembled and archived in yeast. In: Virology. 434. Jahrgang, Nr. 2, 2012, S. 278–84, doi:10.1016/j.virol.2012.09.020, PMID 23079106 (englisch). 
11. Coliphage phi-X174, complete genomeNCBI Reference Sequence: NC_001422.1, NCBI
12. G.E. Tusnády, I. Simon: The HMMTOP transmembrane topology prediction server. In: Bioinformatics, 17(9), September 2001, S. 849–850, PMID 11590105
13. J. E. Cherwa Jr, L. N. Young, B. A. Fane: Uncoupling the functions of a multifunctional protein: the isolation of a DNA pilot protein mutant that affects particle morphogenesis. In: Virology, 411(1), 1. März 2011 (online 11. Januar 2011), S. 9–14, doi:10.1016/j.virol.2010.12.026, PMID 21227478
14. Mark V. Ruboyianes, Min Chen, Mathew S. Dubrava, James E. Cherwa Jr., Bentley A. Fane: The Expression of N-Terminal Deletion DNA Pilot Proteins Inhibits the Early Stages of φX174 Replication. In: J Virol., 83(19), Oktober 2009, S. 9952–9956, doi:10.1128/JVI.01077-09, PMC 2748053 (freier Volltext), PMID 19640994
15. Anna K. Orta, Nadia Riera, Yancheng E. Li, Shiho Tanaka, Hyun Gi Yun, Lada Klaic, William M. Clemons Jr.: The mechanism of the phage-encoded protein antibiotic from ΦX174. In: Science, Band 381, Nr. 6654, 14. Juli 2023; doi:10.1126/science.adg9091 (englisch). Dazu:
    • Unpacking φX174: A Game-Changer in Antibiotic Resistance Research. Auf: SciTechDaily vom 5. Januar 2024. Quelle: California Institute of Technology (Caltech). Anmerkung: Die erste Abbildung des Artikels zeigt einen Phagen vom Morphotyp ähnlich den Myoviren der Klasse Caudoviricetes („Kopf-Schwanz-Aufbau“) – nicht φX174.