Молекулярные механизмы (кратко, с пояснениями)
- Интеграция в геном (site-specific recombination): интеграза фага встраивает профаг в участок хромосомы (часто в att-локус) — возможна инактивация или регуляторная перестройка соседних генов (прерывание ORF или изменение промотера), что меняет экспрессию хозяина.
- Встраивание промотеров/операторов: профаг может нести сильный промотер/оператор, который экспрессирует соседние бактериальные гены или фаговые регуляторы, изменяя уровни транскрипции.
- Фаг-encoded регуляторы: фаговые репрессоры/активаторы или альтернативные σ-факторы модифицируют глобальную транскрипцию хозяина, переключая метаболизм/стресс-ответ и вирулентность.
- Лизогенная конверсия: фаг может кодировать факторы вирулентности (токсины, адгезины, иммуномодуляторы), которые прямо увеличивают патогенность хозяина.
- Токсин–анти-токсин и стабилизирующие элементы: профаги могут содержать TA-системы, уменьшающие вероятность потери профага и влияющие на выживание под стрессом.
- Модификация поверхности/рецепторов: вставка может менять структуры клеточной стенки/LPS — влияет на адгезию, иммунное распознавание и чувствительность к другим фагам.
- Генетическая рекомбинация/трансадукция: при индукции возможна упаковка бактериальной ДНК и горизонтальный перенос генов (в т.ч. вирулентности или устойчивости).
Популяционная динамика — модели и качественные последствия
Ключевые параметры: вероятность выбора пути лизогении $\lambda$, скорость прикрепления/инфекции $\varphi$, коэффициент размножения фага при лизисе $\beta$, скорость спонтанной индукции профага $\mu$, ростовые скорости хозяев $r_S,r_L$, убыль фага $\delta$.
Один компактный модельный вариант (существенные компоненты):
$$\frac{dS}{dt}=r_{S}S(1-\frac{S+L}{K})-\varphi SP,$$ $$\frac{dL}{dt}=r_{L}L(1-\frac{S+L}{K})+\lambda \varphi SP-\mu L,$$ $$\frac{dP}{dt}=\beta (1-\lambda )\varphi SP+\alpha \mu L-\delta P.$$ Интерпретация:
- Высокая $\lambda$ и низкая $\mu$ ведут к распространению лизогенов (L) и к «иммунитету» против суперинфекции, что может вытеснить чувствительные (S).
- Частая индукция ($\mu$↑) или высокий выход фага ($\beta ,\alpha$↑) приводит к вспышкам ликвидации S и/или частичной гибели L, возможны циклы и эпизодические вымирания.
- Если интеграция даёт фитнес‑выигрыш ($r_L>r_S$ или уменьшение смертности), профаги распространяются как плазмидо-подобные элементы; если даётся затратный эффект ($r_L<r_S$), поддержание лизогении зависит от присутствия фага и преимуществ (напр., защита от конкурентных штаммов).
- Наличие суперинфекционного иммунитета даёт лизогенам конкурентное преимущество в популяциях, где циркулируют вирулентные фаги — «фаговое оружие» против немодифицированных штаммов.
- Горизонтальный перенос через трансадукцию ускоряет распространение вирулентных/резистентных детерминант между линиями, что изменяет стохастику и квазигенетику популяции (быстрый рост частот выгодных аллелей).
Последствия для вирулентности и экологии
- Увеличение вирулентности: прямое приобретение токсинов/адгезинов → более агрессивные клинические исходы и возможность вспышек.
- Снижение вирулентности/изменение паттерна: повреждение регуляторных генов хозяина может уменьшать экспрессию факторов вирулентности.
- Стабилизация генетических новаций: профаги помогают фиксировать новые свойства в локальных клональных линиях.
- Эпидемиологические эффекты: быстрый переход от доброкачественных штаммов к патогенным через распространение профагов, а также возможность «фаг-опосредованной» конкуренции между клональными линиями.
- Последствия для терапии: профаги усложняют применение фаговой терапии и антибиотиков (индукция профагов может повысить распространение токсинов или вызвать лизис и выброс воспалительных компонентов).
Короткое резюме: интеграция лизогенного фага может менять экспрессию и поведение хозяина через прямую модификацию генов/регуляторов или введение новых функций (включая факторы вирулентности). На популяционном уровне это ведёт к изменению относительных фитнесов, распространению новых признаков через горизонтальный перенос, возможным циклам/вспышкам при индукции и к сложной динамике coexistence/замещения штаммов в зависимости от параметров $\lambda ,\mu ,\varphi ,\beta ,r_S,r_L$.