Lysogenie bezieht sich auf einen Prozess, bei dem ein Virus, das spezifisch ein Bakterium infiziert, ein Bakteriophage (was „Verschlinger von Bakterien“ bedeutet), die Herstellung von Kopien seines genetischen Materials aus Desoxyribonukleinsäure (DNA) erreicht, indem die virale DNA in die DNA des Wirtsbakteriums integriert wird. Die eingefügte virale DNA wird dann zusammen mit der Wirts-DNA repliziert.
Das Wesen der Lysogenie blieb nach der Entdeckung des Bakteriophagen durch Felix d’Hérelle im Jahr 1915 viele Jahre lang ungeklärt. Das plötzliche Auftreten von Viren in Bakterienkulturen wurde zunächst für das Ergebnis einer viralen Kontamination gehalten. Die Anerkennung der Lysogenese als echtes Phänomen erfolgte erst fast 40 Jahre später.
Bei der Lysogenese werden keine neuen Viruspartikel gebildet. Stattdessen bleibt das Virus im Wesentlichen inaktiv, während es dafür sorgt, dass sein genetisches Material weiterhin hergestellt wird. Ein Stress für das Bakterium, wie z.B. die Bestrahlung des Bakteriums mit ultraviolettem Licht, löst die Trennung der viralen DNA von der bakteriellen DNA aus. Dann bilden sich neue Viruspartikel im so genannten lytischen Zyklus. Die beiden Prozesse der Lysogenese und der Lyse unterliegen einem Kontrollsystem, das erstmals von dem französischen Biologen André Lwoff in den frühen 1950er Jahren beschrieben wurde.
Die Lysogenese ist für das Virus von Vorteil, da sie das Fortbestehen des genetischen Materials in Abwesenheit einer Virusproduktion ermöglicht. Lysogenie kann auch für das Wirtsbakterium von Vorteil sein. Der Hauptnutzen für die Bakterien entsteht, wenn die integrierte virale DNA ein Gen enthält, das für ein Toxin kodiert. Der Besitz des Toxins kann für jene Bakterien von Vorteil sein, die im Rahmen ihrer Replikationsstrategie eine Infektion verursachen. So sind beispielsweise Toxine, die von Bakteriophagengenen kodiert werden, die Hauptursache für die mit den Bakterienkrankheiten Tetanus, Diphtherie und Cholera verbundenen Symptome.
Der Prozess der Lysogenese wurde am intensivsten an einem Bakteriophagen untersucht, der als Lambda bezeichnet wird. Beim Lambda-Bakteriophagen hängt der Beginn der Lysogenese vom Vorhandensein von drei viralen Proteinen ab. Diese werden als cI („c-one“), cII und cIII bezeichnet. Das cI-Protein wird zuerst hergestellt, und zwar mit Hilfe von Wirtsmolekülen, die die in der viralen DNA enthaltenen Informationen für das Protein interpretieren, nachdem die virale DNA in das Wirtsbakterium gelangt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die virale DNA noch nicht in das Wirtsgenom integriert, sondern existiert als eigenständiger Kreis. CI ist ein so genanntes Repressorprotein, das Sequenzen auf dem viralen Genom besetzt, die sonst für die Herstellung der verschiedenen viralen Proteine verwendet würden, die für den Zusammenbau der neuen Viruspartikel benötigt werden. Indem es diese Stellen besetzt, verhindert cI, dass virale Proteine produziert werden.
Etwa zur gleichen Zeit wird die virale DNA in die Wirts-DNA integriert und die Proteine cII und cIII werden hergestellt. Diese letzteren Proteine unterstützen cI bei der Aufgabe, die Synthese viraler Komponenten zu blockieren. Dementsprechend sind cI, cII und cIII für die Aufrechterhaltung des lysogenen Zustands verantwortlich. Das cII-Protein hat die Aufgabe, die Herstellung von cI durch die Transkriptionsmaschinerie des Wirts effizienter zu gestalten. Das cIII-Protein trägt dazu bei, das cII-Protein vor dem Abbau durch Wirtsenzyme zu schützen.
Ist die Lysogenität erst einmal hergestellt, hält die fortgesetzte Herstellung des cI-Proteins den integrierten Zustand der viralen DNA aufrecht.
Das cI-Protein hält seine eigene Transkription aufrecht. Die Bindung von cI an einen bestimmten Abschnitt der DNA fördert die Erkennung und Verwendung des Gens für cI zur Herstellung des cI-Proteins. Dies wird als positive Kontrolle bezeichnet. Außerdem übt das Protein eine negative Kontrolle über ein anderes Protein aus (als „Cro“ bezeichnet). Bei der negativen Kontrolle verhindert die Bindung von cI an einen Bereich der DNA, dass das Gen für cro erkannt und zur Herstellung des cro-Proteins verwendet wird.
Die „Entscheidung“, die Lysogenese aufrechtzuerhalten oder den Zyklus zu beginnen, bei dem neue Viruspartikel gebildet werden und das Bakterium die neuen Partikel explosionsartig freisetzt, ist im Wesentlichen ein Wettbewerb zwischen den Proteinen cI und cro. Dieser Wettbewerb konzentriert sich auf die Bindung der Proteine an einen DNA-Abschnitt, der als OR-Operator bezeichnet wird. Dieser DNA-Abschnitt hat drei Stellen, die die Proteine besetzen können. Je nachdem, welche Stellen von welchem Protein besetzt sind, wird entweder die Herstellung der cI- oder der cro-Proteine gefördert. Wenn mehr cI gebildet wird, wird die Lysogenese fortgesetzt. Wird Cro hergestellt, beginnt der Prozess der viralen Assemblierung (d. h. der lytische Zyklus). Der lytische Zyklus kann durch Ereignisse ausgelöst werden, die das Wirtsbakterium schädigen, einschließlich der Exposition gegenüber Umweltstressfaktoren (z. B. ultraviolette Strahlung).
Siehe auch Bakteriophage und Bakteriophagen-Typisierung; Operon; Virusgenetik; Virusreplikation