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19.3C: φX174 - Biologie

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φX174 (phiX174) ist ein Virus, das das Bakterium infiziert E coli. Daher ist φX174 a Bakteriophage. Jedes vollständige infektiöse Partikel (Virion) von φX174 besteht aus einer Proteinhülle, die einen Kern umhüllt, der sowohl Protein als auch DNA enthält. Die Hülle des Virus enthält jeweils 60 Moleküle zweier Proteine ​​(F und G) und 12 Moleküle eines anderen Proteins (H). Der Kern des Virions enthält ein DNA-Molekül und 60 Kopien eines vierten Proteins, des J-Proteins. Das DNA-Molekül ist einzelsträngig (ssDNA) und hat die Form eines geschlossenen Kreises. Es enthält 5386 Nukleotide. Dieses winzige Genom war das erste DNA-Genom, das jemals sequenziert wurde (von Fred Sanger 1976).

Wenn φX174 an seinen Wirt bindet, wird sein ssDNA-Molekül in die Zelle eingefügt. Dabei dient der DNA-Strang (+) als Matrize für die Synthese eines komplementären (−) Strangs. Die beiden Stränge bilden eine Doppelhelix, die sich dann mehrfach repliziert. Die Minusstränge dieser DNA-Moleküle dienen dann als Template für die Synthese von:

  • mRNA-Moleküle.
  • etwa 200 komplementäre (+) DNA-Stränge, von denen jeder später in den Kern eines neuen Virions verpackt wird.

Die Proteinsynthesemaschinerie der Wirtszelle übersetzt die viralen mRNA-Moleküle in 11 verschiedene Arten von Proteinen. Vier davon sind die vier (F, G, H und J), die in neue Virionen eingebaut werden. Was die anderen 7 Proteine ​​angeht

  • A, A* und C spielen eine Rolle bei der Replikation viraler DNA
  • B und D helfen beim Zusammenbau der Virionproteine ​​zu neuen Virionen
  • E lysiert die Wirtszelle, damit die neu synthetisierten Virionen entweichen können
  • K steigert die Virionenproduktion

aber keines dieser Proteine ​​wird Teil des Virions.

Die 11 Proteine, die von der φX174-DNA kodiert werden, reichen in der Größe vom A-Protein, das 513 Aminosäuren enthält, bis zum J-Protein, das nur 38 enthält. Die 11 Proteine ​​enthalten zusammen insgesamt 1986 Aminosäuren (das A*-Protein ist einfach a verkürzte Version des A-Proteins). Dies wirft eine Frage auf. Mit 3 Nukleotiden, die benötigt werden, um eine Aminosäure zu spezifizieren, würde φX174 5958 Nukleotide benötigen, um 1986 Aminosäuren zu kodieren (5958/3 = 1986). Aber sein DNA-Molekül enthält 5386 Nukleotide, nur genug, um 1795 Aminosäuren zu kodieren. Außerdem stellt sich heraus, dass 217 der Nukleotide nichts kodieren, obwohl einige von ihnen Kontrollsignale liefern. Es gibt also nur 5169 kodierende Nukleotide, und wir würden erwarten, dass sie nur 1723 Aminosäuren kodieren können. Wie diktiert φX174 den Aufbau der restlichen Aminosäuren?

Überlappende Gene

Dies geschieht, indem einige Nukleotidabschnitte verwendet werden, um zwei verschiedene Sequenzen von Aminosäuren zu kodieren. Das Prinzip ist eigentlich ganz einfach. Es beinhaltet das Lesen der Codons in zwei verschiedenen "Leserahmen", dh die Gruppierung der Nukleotide in verschobene Dreier-Cluster.

Zum Beispiel die Sequenz
. GAGCCGCAACTTC . .
kann in drei verschiedenen Leserahmen gelesen werden:
. GAG CCG CAA CTT C . die kodiert. Glu-Pro-Gln-Leu . .
oder
. G AGC CGC AAC TTC . Ser-Arg-Asn-Phe. GA GCC GCA ACT TC . Ala-Ala-Thr. .

φX174 verwendet tatsächlich zwei davon und, wie Sie sehen können, kodiert jede eine völlig andere Sequenz von Aminosäuren.

Es gibt sogar eine Stelle, an der ein einzelnes Nukleotid (A) an drei verschiedenen Codons beteiligt ist:

  • Es ist das dritte Nukleotid im Codon (AAA) für die letzte Aminosäure (Lys) in Protein A;
  • das mittlere Nukleotid im Codon AAT, das Asn im K-Protein kodiert; und
  • das erste Nukleotid in ATG, das Codon, das Methionin (Met) an die Startposition von Protein C setzt.

Warum überlappende Gene? X174 ist einer der kleinsten Viren. Die Verwendung überlappender Gene ermöglicht es, die Informationsmenge zu erhöhen, die es in einer bestimmten DNA-Menge speichern kann. Das Genom von φX174 wurde nicht nur als erstes sequenziert, sondern auch als erstes im Labor chemisch synthetisiert. Bei Einführung in E coli, war dieses synthetische Molekül vollständig infektiös und in der Lage, intakte Viren zu produzieren.

Oben ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme der doppelsträngigen φX174-DNA, extrahiert aus infizierten E coli Zellen. Der Balken repräsentiert 0,5 µm. (Mit freundlicher Genehmigung von David T. Denhardt.)