Inoviridae, informell auch genannt Filamentöse Bakteriophagen (, Singular oder Plural)Die Bezeichnung (bzw. analog , deutsch Filamentöser Phage) ist nach ICTV eine veraltete Bezeichnung für die heutige Bezeichnung der Typusgattung Inovirus (ab 1971); entspricht aber heute nach Entdeckung einer großen Zahl weiterer fadenförmiger Bakteriophagen (ggf. mit Plural-s) der ganzen Familie um diese Gattung, also aktuell den Inoviridae. sind eine Familie von Viren, die Bakterien infizieren (Bakteriophagen). Die Phagen sind nach ihrer meist filamentösen Form benannt, ihre Virionen (Virusteilchen) sind meist lang, dünn und biegsam und sehen aus wie eine wurmartige Kette (was an ein Stück gekochter Spaghetti erinnert). Sie haben einen Durchmesser von ca. 6 nm bei einer Länge von bis zu ca. 1000–2000 nm. ePub 22. Juli 2019, insbes. Supplementary Table 3
Die Inoviridae gehören zu den einfachsten Viren, die bekannt sind. Sie haben weit weniger Gene als die klassischen Bakteriophagen der Ordnung Caudovirales (mit Kopf-Schwanz-Struktur, sog. Schwanzbakteriophagen), wie sie von der um Max Delbrück untersucht wurden. Die Einfachheit dieser Familie macht sie zu einem attraktiven Modellsystem, um grundlegende Aspekte der Molekularbiologie zu untersuchen und zu einem bewährten Werkzeug in der Immunologie und Nanotechnologie.
Die Familie enthält 29 offiziell vom (ICTV) bestätigte Arten (Spezies), die sich auf 23 offizielle Gattungen verteilen.SIB: Die Auswertung von genomischen und metagenomischen Datensätzen mit Hilfe eines maschinellen Lernansatzes führte jedoch zur Entdeckung von 10.295 Inovirus-ähnlichen Sequenzen mit Treffern in fast allen bakteriellen Phyla (als Wirte) und in praktisch jedem Ökosystem. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass Gruppe von Viren wesentlich vielfältiger und weiter verbreitet ist als ursprünglich angenommen.
Beschreibung
mini|links|Schemazeichnungen eines Virions der Familie Inoviridae (oben: Seitenansicht, unten: Querschnitt) links|mini|Zusammengesetzte Untereinheiten des Haupt-Hüllproteins (, MCP) in den Ff-Phagen (Gattung Inovirus) der Stämme fd, f1 und M13.
Filamentöse Phagen werden im Gegensatz zu den meisten anderen Phagen kontinuierlich durch die Bakterienmembran extrudiert (ausgeschieden), ohne den bakteriellen Wirt zu töten.
Die Hülle eines Virions besteht aus fünf Arten viraler Proteine, die sich während des Zusammenbaus (Assemblierung) der Phagen-Virionen in der inneren Membran des Wirtsbakteriums befinden und dem heranwachsenden Virion hinzugefügt werden, während es durch die Membran extrudiert wird.
Die von der Gruppe um David Pratt eingeführte einfache Nummerierung der Gene mit den arabischen Ziffern 1,2,3, wird manchmal durch die Praxis der Verwendung der römischen Ziffern I, II, III, verdrängt, aber die von den beiden Systemen definierten Gennummern sind die gleichen. Für die Akronyme der kodierten Proteine existieren also zwei einander äquivalente Bezeichnungsweisen mit den gleichen Nummern in römischen bzw. in arabischen Ziffern: Protein 1 (pI = Protein 8 (pVIII = die Bezeichnungen der entsprechenden Gene sind analog, jedoch kursiv gesetzt.
Drei filamentöse Bakteriophagen, fd, f1 und M13, wurden in den frühen 1960er Jahren von drei verschiedenen Forschergruppen isoliert und charakterisiert. Sie sind jedoch so ähnlich, dass sie zu einer Gruppe mit dem Namen „Ff-Phagen“ zusammengefasst werden, die vom ICTV zunächst als Gattung Inovirus, und inzwischen (2024) als Spezies Inovirus M13 offiziell bestätigt wurde.NCBI: Inovirus (genus)ICTV: ICTV Taxonomy history: Inovirus. 2019 EC 51, Berlin, Germany, July 2019; Email ratification March 2020 (MSL #35). Die molekulare Struktur der filamentösen Ff-Phagen wurde mit einer Reihe von physikalischen Techniken, insbesondere der Röntgenfaserbeugung, bestimmt und mit Festkörper-NMR und Kryo-Elektronenmikroskopie weiter verfeinert. Die einzelsträngige Ff-Phagen-DNA verläuft entlang des zentralen Kerns () des Phagen und wird durch eine zylindrische Proteinhülle geschützt und verdichtet, die aus Tausenden von identischen α-helikalen Untereinheiten des Haupt-Hüllproteins (en. ) aufgebaut ist, und die vom Phagen-Gen pVIII kodiert werden. Das pVIII-Protein wird in die Plasmamembran als ein früher Schritt der Phagen-Assemblierung eingefügt.
Einige Phagenstämme haben eine Leader-Sequenz auf dem pVIII-Protein, um die Einfügung in die Membran zu fördern, aber andere scheinen die Leader-Sequenz nicht zu benötigen. An den beiden Enden des Phagen befinden sich einige Kopien von Proteinen, die für die Infektion des Wirtsbakteriums und auch für den Zusammenbau der wachsenden Phagenpartikel wichtig sind. Diese Proteine sind die Produkte der Phagengene 3 und 6 (pIII und pVI) an einem Ende des Phagen, und der Phagengene 7 und 9 (pVII und pIX) am anderen Ende. Die Faserbeugungsstudien identifizierten zwei strukturelle Klassen von Phagen, die sich in den Details der Anordnung des Gen-8-Proteins (pVIII) unterscheiden. Klasse I, zu der die Stämme fd, f1, M13 der Gattung Inovirus sowie If1 (Spezies Escherichia-Virus If1, Gattung Infulavirus)NCBI: Infulavirus (genus) und IKe (Spezies Salmonella-Virus IKe, Gattung Lineavirus) gehören,NCBI: Lineavirus (genus) hat eine Rotationsachse, die die Gen-8-Hüllproteine (pVIII) miteinander verbindet, während bei Klasse II, einschließlich der Stämme Pf1 (Spezies Pseudomonas-Virus Pf1, Gattung Primolicivirus),NCBI: Primolicivirus (genus) Pf3 (Spezies Pseudomonas-Virus Pf3, Gattung Tertilicivirus),NCBI: Tertilicivirus (genus) Pf4 (ohne zugewiesene Spezies oder Gattung)Jack C. Penner, Jose A. G. Ferreira, Patrick R. Secor, Johanna M. Sweere et al. Pf4 bacteriophage produced by Pseudomonas aeruginosa inhibits Aspergillus fumigatus metabolism via iron sequestration. In: Microbiology. 162(9), September 2016, S. 1583–1594, Epub 29. Juli 2016, doi:10.1099/mic.0.000344. PMID 27473221.Patrick R. Secor, Johanna M. Sweere, Lia A. Michaels, Andrey V. Malkovskiy et al. Filamentous Bacteriophage Promote Biofilm Assembly And Function, in: Cell Host & Microbe, Band 18, Nr. 5, S. 549–559, 11. November 2015, doi:10.1016/j.chom.2015.10.013 ePub: 18. Februar 2020. Dazu: Yi-Wei Chang: Bacteria suit up with virus armor, in: PNAS 17 (12), 24. März 2020, S. 16297-6299, ePub: 9. März 2020, doi:10.1073/pnas.2001931117 und PH75 (vorgeschlagene Spezies „Thermus-Phage PH75“, incertae sedis innerhalb der Inoviridae),NCBI: Thermus phage PH75 (species) diese Rotationsachse durch eine Helixachse ersetzt ist. Dieser technische Unterschied hat kaum merkliche Auswirkungen auf die Gesamtstruktur des Phagen, aber der Umfang der unabhängigen Beugungsdaten ist für die Symmetrieklasse II größer als für die Klasse I. Dies half bei der Bestimmung der Struktur des Klasse-II-Phagen Pf1, und damit auch der Klasse-I-Struktur.
links|mini|Genom-Karte des Filamentösen Bakteriophagen M13, Gattung Inovirus Die aus den fd-Phagen der Gattung Inovirus isolierte DNA ist einzelsträngig und topologisch ein Kreis (zirkulär). Das heißt, der DNA-Einzelstrang erstreckt sich von einem Ende des Phagenpartikels (Virions) zum anderen und dann wieder zurück, um den Kreis zu schließen, obwohl die beiden Stränge nicht basengepaart sind. Es wurde angenommen, dass sich diese Topologie auf alle anderen filamentösen Phagen erstreckt, aber dies ist nicht der Fall für den Phagen Pf4, bei dem die DNA im Phagen zwar einzelsträngig, aber topologisch linear und nicht kreisförmig ist.
Während des Zusammenbaus (Assemblierung) von fd-Phagen wird ihre DNA zunächst in einen linearen intrazellulären Nukleoprotein-Komplex mit vielen Kopien des Phagen-Gens 5 (pV, das Replikations-/Assemblierungsprotein) verpackt. Das Gen 5-Protein (pV) wird dann durch das Gen 8-Hüllprotein (pVIII) verdrängt, wenn der heranwachsende Phage durch die bakterielle Plasmamembran extrudiert wird, ohne dabei den bakteriellen Wirt abzutöten. Dieses Protein bindet auch mit hoher Affinität an G-Quadruplex-Strukturen (G4-DNA, „Vier-Strang-DNA“), obwohl diese in der Phagen-DNA nicht vorhanden sind, sowie an ähnliche Haarnadelstrukturen () in der Phagen-DNA.
Gen 1 (pI) kodiert für eine ATPase. Das Protein 1 (pI) der Ff-Phagen (d. h. in der Gattung Inovirus) ist für die Phagen-Assemblierung an der Membran erforderlich. Gen 1 (pI) ist daher ein konserviertes Markergen, das (zusammen mit drei weiteren genetischen Merkmalen) zur automatischen Erkennung von Inovirus-Sequenzen verwendet wird. Protein 1 (pI) hat eine membranüberspannende hydrophobe Domäne am N-terminalen Teil im Zytoplasma und dem C-terminalen Teil im Periplasma (vgl. ATP-Synthase). Die Monomere bleiben dank der hydrophoben Wechselwirkungen zusammen.
Der Assemblierungsmechanismus macht diese Phagen zu einem wertvollen System, um Transmembranproteine zu untersuchen.<ref name="Rapoza_19959"></ref>
Replikationszyklus Die Virus-Replikation der Inoviridae erfolgt im Zytoplasma. Die Replikation folgt dem Modell der Rolling-Circle-Replikation für ssDNA. mini|hochkant=2|Schemazeichnung: Replikationszyklus der Inoviridae. Nummern siehe Text. Der Replikationszyklus besteht im Detail aus folgenden Schritten (siehe Schemazeichnung):SIB: Inoviridae — replication cycle, ViralZone Das virale g3p-Protein (alias pIII, , mCP) vermittelt Anheftung (Adsorption) des Virions an einen Pilus der Wirtszelle. Die Pilus-Retraktion zieht das Virion an die innere Membran des Wirts. Die Proteine des Virus-Kapsids vermitteln die Injektion der Virus-DNA durch die bakteriellen Membranen hindurch in das Zellzytoplasma. Die Polymerase des Wirtsbakteriums wandelt das (+)ssDNA-Virusgenom (Einzelstrang) in eine kovalent zyklisch geschlossene dsDNA (Doppelstrang) um, die als replikative Form (RF) der DNA () bezeichnet wird. Durch Transkription der dsDNA mit Hilfe der RNA-Polymerase des Wirts entstehen virale mRNAs. Das virale g2p-Protein (alias pII) kappt den RF-DNA-Strang am Replikationsursprung. Die Replikation des (+)-Strangs erfolgt nach dem Rolling-Circle-Verfahren. Auch neue genomische (+)ssDNA wird in weitere RF-dsDNA umgewandelt, an der ebenfalls Transkription stattfindet. Wenn genügend g5p-Protein (alias pIV) synthetisiert wurde, wird die Umwandlung in RF-dsDNA gehemmt, da das neusynthetisierte genomische ssDNA mit g5p bedeckt wird. Das g5p wird durch Protein g8p (alias pVIII) ersetzt, um die Assemblierung des viralen Kapsids zu starten. Neue Virionen werden aus der Wirtszelle ausgeschieden. (nicht dargestellt) Die infizierten Zellen teilen sich weiter und produzieren unbegrenzt viele Virionen.
Die virale Assemblierung erfolgt an der inneren Membran (bei Gram-negativen Bakterien), vermittelt durch einen in die Membran eingebetteten Motorproteinkomplex. Dieser multimere Assemblierungskomplex wird von Gen 1 (pI) kodiert und oft als ZOT (Zonula Occludens Toxin) bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine ATPase, die funktionelle und essentielle Walker A- und Walker B-Motife enthält, von denen man annimmt, dass sie die Hydrolyse von ATP (Adenosintriphosphat) vermitteln, wodurch die Energie für die Assemblierung des Phagenfilaments geliefert wird. Die Virionen verlassen die Wirtszelle durch virale Extrusion, ohne diese abzutöten. Dies ist ein für Viren der Ordnung Tubulavirales typisch, anders als bei lytischen Bakteriophagen, die ihre Wirtszellen am Schluss zum Platzen bringen und abtöten. Auch der lysogene Zyklus, bei dem sich die Viren mit der Wirtszelle vermehren und sich ggf. auch in ihr Genom integrieren, wurde bei den Inoviridae zunächst nicht beobachtet. Vom filamentösen Phage Cf1t der Bakterienspezies Xanthomonas campestris (vorgeschlagene Phagenspezies „Xanthomonas-Phage Cf1t“, incertae sedis innerhalb der Familie Inoviridae, gelegentlich als Cflt verschrieben)NCBI: Xanthomonas phage Cf1t (species)