Ciclo Lisogénico de Bacteriófagos: Regulación Genética y Fago Lambda en E. coli

El Ciclo Lisogénico de Bacteriófagos: Mecanismos y Regulación

El ciclo lisogénico es una estrategia de replicación viral en la que el material genético de un bacteriófago (fago) se integra en el genoma de la bacteria huésped, permaneciendo latente y replicándose junto con el ADN bacteriano. Este proceso se contrapone al ciclo lítico, donde el fago se replica activamente y destruye la célula huésped.

Fases del Ciclo Lisogénico

1. El virión (fago) inserta su material genético (ADN o ARN) en la bacteria.
2. Por recombinación homóloga, el ácido nucleico del virus se integra en el cromosoma bacteriano, pasando a denominarse profago.
3. La bacteria se reproduce por fisión binaria, transmitiendo el profago a sus células hijas. El ácido nucleico del virus permanece silenciado durante este proceso.
4. Por diversos medios (como estrés ambiental o daño al ADN), se puede inducir el ciclo lítico:
   • El ácido nucleico viral se escinde del genoma bacteriano.
   • El material genético del virus se replica utilizando la maquinaria de la bacteria.
   • Se sintetiza la cápside y se ensambla el virus completo.
   • Se produce la lisis celular, liberando los nuevos viriones.

Bacteriófagos Lisogénicos o Atemperados

Los bacteriófagos lisogénicos, también conocidos como atemperados, son aquellos que no destruyen el ADN de la bacteria inmediatamente tras la infección. Se encuentran en un estado latente en el interior de la bacteria hasta que se expresan en un determinado momento, generalmente bajo condiciones de estrés.

La lisogenia se caracteriza por la presencia de un represor (una proteína con dos o cuatro subunidades) que se une al operador, impidiendo la transcripción de los genes virales. Por tanto, inhibe la síntesis de las proteínas necesarias para el ciclo lítico. Los principales tipos de lisogenia incluyen los fagos Lambdoides y Mutadores.

Fagos Lambdoides λ (Lambda)

Los fagos lambdoides λ se caracterizan por su cabeza icosaédrica pura, sin proyecciones en su superficie, y por su cola flexible, en cuyo extremo hay una proteína. En el interior de la cápside, contienen ADN bicatenario no enrollado, unido por extremos cohesivos (COS).

Entrada e Integración en E. coli

En E. coli, el operón lactosa presenta una porina, LamB. Aunque su función principal es el transporte de glucosa a través de la pared celular, también es utilizada por el fago λ para unir su proteína J e introducir su ADN al interior celular. Una vez dentro de la bacteria, el ADN viral se circulariza, uniéndose por los extremos cohesivos. Posteriormente, el ADN vírico se replica.

Mapa Genético del Fago λ y Regulación Temprana

En el mapa genético del fago λ, los genes se agrupan en módulos. La ARN polimerasa se acomoda en los promotores derecho (PR) e izquierdo (PL). La transcripción desde PL en los primeros minutos forma el gen N y el gen CIII, que darán lugar a las proteínas del mismo nombre:

• Proteína N: Es una antiterminadora que neutraliza los factores Rho (ρ) celulares para permitir la transcripción hacia la izquierda, con la consecuente formación de la proteína CIII.
• Proteína CIII: Impide que se detenga la transcripción.

Las proteínas CII y CIII son genes reguladores positivos; se combinan y permiten la producción de la integrasa y la transcripción controlada sobre el promotor secundario (P_int).

Interacción entre el Ciclo Lítico y Lisogénico

La decisión entre el ciclo lítico y el lisogénico en el fago λ depende de la concentración relativa de las proteínas reguladoras CI y Cro, que a su vez está influenciada por las condiciones ambientales y la actividad de CII y CIII.

1. Infección: El fago infecta la bacteria.
2. Transcripción Temprana: Se inicia la transcripción desde los promotores PL y PR.
   • Desde PL se transcribe el gen N.
   • Desde PR se transcribe el gen Cro.

Ciclo Lítico

Si la proteína CII es degradada por proteasas (lo que ocurre en condiciones de crecimiento rápido de la bacteria), el fago entra en el ciclo lítico (CII y CIII no se unen). La proteína Cro (represor del promotor secundario) previene la transcripción del gen CI, favoreciendo la replicación viral.

Replicación de ADN → Ciclo Lítico → Formación de fagos liberados por lisis celular.

Ciclo Lisogénico

Si la proteína CII no es degradada (lo que ocurre en condiciones de crecimiento lento o estrés), se producen grandes cantidades de la proteína CI, que reprime los promotores PL y PR. Esto impide la transcripción de los genes virales necesarios para el ciclo lítico. Se favorece la integración del ADN viral en el genoma bacteriano mediante la integrasa.

Acción del Represor λ CI

El represor λ CI actúa sobre el operador izquierdo (OL) y sobre el operador derecho (OR), impidiendo la transcripción de los genes virales. Estos operadores se encuentran justo después de los promotores PL y PR, respectivamente.

Integración del Fago λ en E. coli

Gracias a la expresión de la integrasa, el fago λ se inserta específicamente entre los operones de galactosa (gal) y biotina (bio) de E. coli. Una vez integrado, el genoma del fago permanece silenciado, convirtiéndose en un profago.