IV. LISOGENIA

POCO tiempo después de que fueron descubiertos los fagos, se aislaron cepas bacterianas que parecían ser portadoras silenciosas de ciertos tipos de fagos. Los líquidos obtenidos a partir de cultivos de estas cepas portadoras mostraban la presencia de fagos; sin embargo, las cepas portadoras no eran sensibles a ser destruidas por el fago que portaban. Por otra parte, cepas de bacterias emparentadas con la cepa portadora resultaban ser sensibles al fago presente en las cepas portadoras. Las cepas de bacterias portadoras de fagos silenciosos o latentes fueron denominadas cepas lisogénicas. A principios de los años cincuenta se descubrió que los fagos son capaces de adsorberse a las bacterias lisogénicas, pero no se produce la subsecuente lisis de estas bacterias. Por otra parte, cuando el fago procedente de una cepa lisogénica es sembrado en una cepa de bacterias sensibles, se pueden aislar en estos cultivos colonias de bacterias que se comportan igual que las cepas lisogénicas. En 1950, André Lwoff cultivó una sola célula procedente de una cepa lisogénica de Bacillus megaterium y observó bajo el microscopio la división de esta bacteria. Posteriormente, Lwoff removió una de las células hijas junto con un poco del medio de cultivo. Este proceso fue repetido varias veces: cada vez que se dividía la célula remanente, era removida una de las células hijas y algo del medio de cultivo; las células hijas y el viejo medio de cultivo fueron sembrados en agar para determinar si daban origen a una población de bacterias lisogénicas y a la presencia de fago en el medio de cultivo. Estos experimentos mostraron que las bacterias lisogénicas pueden crecer y dividirse sin liberar fagos al medio de cultivo. Sin embargo, por alguna razón desconocida, algunos filtrados obtenidos a partir de extractos de bacterias lisogénicas mostraban la presencia de partículas virales, o sea, fagos. Lwoff razonó que en las cepas lisogénicas el fago se encuentra en forma de un precursor no infeccioso al que denominó profago. La lisis de algunas de estas bacterias lisogénicas ocurre solamente cuando estas células han sido estimuladas para producir fagos. Lwoff y colaboradores observaron que la irradiación con luz ultravioleta (U.V.) era capaz de inducir la producción de fagos en una población de bacterias lisogénicas, mismas que eran lisadas en la medida que se incrementaba la concentración de fagos liberados al medio de cultivo. Por lo tanto, una bacteria lisogénica posee la capacidad de heredar el fago a sus descendientes, muy pocos de los cuales se lisarán en forma espontánea. Sin embargo, la mayor parte de la progenie de una bacteria lisogénica puede ser inducida a producir el fago por medio de la irradiación con U.V. o tratamiento con otros factores inductores. Se denomina temperados a los bacteriófagos capaces de existir en forma de profago en el interior de una bacteria hospedera. Después de que el profago ha sido inducido por irradiación, ocurre un breve periodo de eclipse en el cual no se puede detectar la presencia del fago dentro de la bacteria. Sin embargo, es posible detectar la aparición de proteínas y ácido nucleico específicos del fago; estos elementos serán ensamblados para formar los nuevos fagos maduros poco antes de que ocurra la lisis de la bacteria hospedera.

En 1951, Esther Lederberg descubrió en forma accidental que la cepa de E. coli K12 era de tipo lisogénico. El fago latente en dicha cepa fue aislado al mezclar E. coli Kl2 con derivados no lisogénicos de esta cepa bacteriana. El fago resultante es ahora conocido como fago y representa el caso más estudiado del fenómeno de lisogenia.

Las bacterias infectadas por fagos temperados continúan dividiéndose por varias generaciones y son inmunes o resistentes a ser superinfectadas por el mismo tipo de fago que albergan o por otros fagos pertenecientes a clases emparentadas con el fago temperado original. Estas bacterias contienen cuando menos una copia íntegra del genoma del fago. Las bacterias infectadas por fagos temperados portan la información genética correspondiente al fago, a través de múltiples divisiones bacterianas, o sea, el genoma del fago es replicado al mismo tiempo que ocurre la replicación del genoma bacteriano; este hecho hace posible que la bacteria original pueda heredar el fago temperado a la subsecuente progenie bacteriana.

El genoma del fago l está constituido por una molécula lineal de ADN de cadena doble; esta molécula posee extremos cohesivos o "pegajosos" debidos a la secuencia de nucleótidos presentes en esa región del genoma viral. Al penetrar en la bacteria, el ADN del fago l se circulariza por la interacción entre los extremos cohesivos de la molécula. Ocasionalmente, este anillo de ADN puede ser integrado en el cromosoma de la bacteria. La integración ocurre en un sitio específico del genoma bacteriano; en ese sitio existe una secuencia de nucleótidos que resulta homóloga a la de una región del genoma del fago denominada att l . Cuando en forma espontánea se alinean paralelamente estas secuencias homólogas, el círculo del genoma del fago se rompe y la integración se lleva a cabo por medio del entrecruzamiento entre el ADN del fago y el ADN de la bacteria; este entrecruzamiento es mediado por un factor proteico codificado por un gene del fago (int). El fago, una vez integrado, se encuentra como profago y solamente unos cuantos de sus genes son expresados (figura IV.1). Un gene en particular produce una proteína que se comporta como un represor que inactiva la expresión de los otros genes virales. Este represor también actúa como un factor de inmunidad que im pide la superinfección de la misma bacteria por otro fago l .

Un factor crítico para el mantenimiento del estado de profago está representado por la concentración de la proteína represora en el citoplasma bacteriano. Eventos que disminuyen la concentración del represor inducen la expresión del genoma viral completo. Un ejemplo de lo anterior ocurre cuando una bacteria lisogénica masculina, o sea, poseedora del factor de conjugación F (bacteria F+), se conjuga con una bacteria no lisogénica femenina (F-) introduciendo en el citoplasma de la bacteria femenina un fragmento de ADN que incluye al profago. Debido a que en el citoplasma de la célula receptora no existen moléculas del represor para el fago l, se produce una rápida inducción de la expresión del genoma viral y la subsecuente lisis de la bacteria receptora.

Figura IV. 1.(a) Modelo de Campbell para la inserción del ADN del fago en el cromosoma bacteriano. (b) Mapa genético del fago. (c) Reordenamiento de los genes del fago después de inserción del ADN del fago en el cromosoma bacteriano. Los símbolos gal y trp representan los operones de la galactosa y del triptófano, respectivamente.

La transición entre el estado de profago y la infección productiva de tipo lítico inducen que el ADN viral se separe del cromosoma bacteriano por medio de la formación de una asa de ADN viral, la cual es cortada y liberada del cromosoma por mediación de proteínas codificadas por los genes xis e int del fago. Una vez liberado el genoma viral, los extremos cohesivos se reúnen formando una molécula circular de ADN viral.

Algunas veces ocurren errores en el proceso de corte o escisión, de manera que el ADN liberado del cromosoma incluye pequeños segmentos correspondientes al ADN bacteriano adyacente al profago. Por ejemplo, el ADN bacteriano presente a la izquierda del profago se incluye secuencias correspondientes de los genes del operón de la galactosa, los cuales codifican enzimas involucradas en el metabolismo y procesamiento del carbohidrato galactosa. Generalmente, el error en la escisión, mismo que resulta en la inclusión de una porción del genoma bacteriano, también ocasiona una pérdida recíprocamente proporcional del genoma viral. Por ejemplo, cuando por error se incluyen los genes del operón de la galactosa en el ADN liberado, se pierden genes normalmente presentes en el extremo derecho del genoma del fago. El genoma viral defectuoso sirve tomo templado para la replicación del ADN, de manera que los nuevos fagos tendrán genes para la utilización de la galactosa y a la vez carecerán de algunos genes virales que salieron perdidos durante el proceso de escisión. Cuando se infectan con este fago defectuoso bacterias mutantes que tienen un defecto en el operón de la galactosa (bacterias Gal-), en condiciones favorables al proceso de lisogenización, es posible que la inserción del genoma viral en el cromosoma de la bacteria mutante resulte en la adquisición de las funciones para la utilización de la galactosa, previamente ausentes en la bacteria mutante. A este fenómeno se le conoce como transducción y los fagos capaces de inducirlo son denominados fagos transductantes, los cuales tienen la capacidad de introducir en las bacterias infectadas fragmentos de ADN que codifican funciones previamente ausentes en esas bacterias. En general, los fagos transductantes son defectuosos en su propia replicación debido a que carecen de ciertos genes virales necesarios para este proceso. Por lo tanto, estos fagos defectuosos sólo pueden propagarse en presencia de fagos normales (auxiliares) capaces de proporcionar los factores codificados por la región del ADN ausente en los fagos defectuosos.