第四章 噬菌体
第四章 噬菌体.txt48微笑，是春天里的一丝新绿，是骄阳下的饿一抹浓荫，是初秋的一缕清风，是严冬的一堆篝火。微笑着去面对吧，你会感到人生是那样温馨。第四章 噬菌体
噬菌体(bacteriophage, phage)是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，本世纪初在葡萄球菌和志贺菌中首先发现。噬菌体具有病毒的一些特性：个体微小，可以通过细菌滤器；没有完整的细胞结构，主要由蛋白质构成的衣壳和包含于其中的核酸组成；只能在活的微生物细胞内复制增殖，是一种专性细胞内寄生的微生物。
噬菌体分布极广，凡是有细菌的场所，就可能有相应噬菌体的存在。在人和动物的排泄物，或污染的井水、河水中，常含有肠道菌的噬菌体。在土壤中，可找到土壤细菌的噬菌体。噬菌体有严格的宿主特异性，只寄居在易感宿主菌体内，故可利用噬菌体进行细菌的流行病学鉴定与分型，以追查传染源。由于噬菌体结构简单、基因数少，是分子生物学与基因工程的良好实验系统。
第一节 噬菌体的生物学性状
形态与结构噬菌体很小，在光学显微镜下看不见，需用电子显微镜观察。不同的噬菌体在电子显微镜下有三种形态，即蝌蚪形（图4－1）、微球形和丝形。大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成（图4－2）。例如大肠埃希菌T4噬菌体头部呈六边形，立体对称，大小约95×65nm，内含遗传物质核酸；尾部是一管状结构，长95～125nm，直径13～20nm，由一个内径约2.5nm中空的尾髓和外面包着的尾鞘组成。尾髓具有收缩功能，可使头部核酸注入宿主菌。在头、尾连接处有一尾领结构，可能与头部装配有关。尾部末端有尾板、尾刺和尾丝，尾板内有裂解宿主菌细胞壁的溶菌酶；尾丝为噬菌体的吸附器官，能识别宿主菌体表面的特殊受体。有的噬菌体尾部很短或缺失。
化学组成噬菌体主要由核酸和蛋白质组成。核酸是噬菌体的遗传物质，常见噬菌体的基因组大小为2～200kb。蛋白质构成噬菌体头部的衣壳及尾部，包括尾髓、尾鞘、尾板、尾刺和尾丝，起着保护核酸的作用，并决定噬菌体外形和表面特征。
噬菌体的核酸为DNA或RNA，并由此将噬菌体分成DNA噬菌体和RNA噬菌体两大类。大多数DNA噬菌体的DNA为线状双链，但一些微小DNA噬菌体的DNA为环状单链。多数RNA噬菌体的RNA为线状单链，少数为线状双链，且分成几个节段。有尾噬菌体的核酸均为线状双链DNA，无尾噬菌体的核酸可为环状单链DNA或线状单链RNA（表4－1）。噬菌体的DNA同样由核苷酸组成，某些噬菌体的基因组含有异常碱基，如大肠埃希菌T偶数噬菌体无胞嘧啶，而代以5－羟甲基胞嘧啶
与糖基化的5－羟甲基胞嘧啶；某些枯草芽胞杆菌噬菌体的DNA无胸腺嘧啶，而代以尿嘧啶、5－羟甲基尿嘧啶等。因宿主菌细胞内没有这些碱基，可成为噬菌体DNA的天然标记。
抗原性噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性抗体。该抗体能抑制相应噬菌体侵袭敏感细菌，但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用，噬菌体仍能复制增殖。
抵抗力噬菌体对理化因素与多数化学消毒剂的抵抗力比一般细菌的繁殖体强；能抵抗乙醚、氯仿和乙醇，一般经75℃ 30min或更久才能被灭活。噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X射线敏感，一般经紫外线照射10～15min即失去活性。
第二节 毒性噬菌体
根据与宿主菌的相互关系，噬菌体可分成两种类型：一种是能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体（virulent phage）。另一种是噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体（temperate phage）或溶原性噬菌体（lysogenic phage）。毒性噬菌体在敏感菌内以复制方式进行增殖，增殖过程包括吸附、穿入、生物合成、成熟和释放几个阶段。从噬菌体吸附至细菌溶解释放出子代噬菌体，称为噬菌体的复制周期或溶菌周期。
吸附吸附是噬菌体与细菌表面受体发生特异性结合的过程（图4－3），其特异性取决于噬菌体蛋白与宿主菌表面受体分子结构的互补性。不同噬菌体的吸附方式不同，丝形噬菌体以其末端吸附，有尾噬菌体以尾丝、尾刺吸附。丝形噬菌体如M13、f1等及微球形噬菌体如MS2等是吸附于细菌的性菌毛上，所以只感染有性菌毛的F＋菌。只要细菌具有特异性受体，不论是活或已死亡，噬菌体都能吸附，但噬菌体不能进入死亡的宿主菌。
穿入有尾噬菌体吸附宿主菌后，借助尾部末端含有的一种类似溶菌酶的物质，在细菌胞壁上溶一小孔，然后通过尾鞘的收缩，将头部DNA注入细菌体内，而蛋白质衣壳留在菌细胞外（图4－4）。无尾噬菌体与丝形噬菌体可以脱壳的方式进入细菌细胞内。
生物合成噬菌体核酸进入菌细胞后，一方面通过转录形成mRNA，再由此转译成噬菌体所需的，与生物合成有关的酶、调节蛋白和结构蛋白。另一方面，以噬菌体核酸为模板，通过核酸多聚酶的催化作用，大量复制子代噬菌体的基因核酸。
成熟与释放待噬菌体的蛋白质与基因核酸分别合成后，立即在细菌胞质内按一定程序装配成完整的成熟噬菌体。当子代噬菌体达到一定数目时，菌细胞突然裂解，释放出的噬菌体又可感染新的敏感细菌。但有些丝形噬菌
体是以出芽的方式逐个释放。
在液体培养基中，噬菌现象可使混浊菌液变为澄清。在固体培养基上，若用适量的噬菌体和宿主菌液混合后接种培养，培养基表面可有透亮的溶菌空斑出现。一个空斑系由一个噬菌体复制增殖并裂解细菌后形成，称为噬斑（plaque），不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同。若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬斑形成单位（plaque forming units, pfu）数目，即噬菌体的数量。
第三节 温和噬菌体
温和噬菌体的基因组能与宿主菌基因组整合，并随细菌分裂传至子代细菌的基因组中，不引起细菌裂解。整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（prophage），带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium）。前噬菌体偶尔可自发地或在某些理化和生物因素的诱导下脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解。温和噬菌体的这种产生成熟噬菌体颗粒和溶解宿主菌的潜在能力，称为溶原性（lysogeny）。由此可知，温和噬菌体可有三种存在状态：①游离的具有感染性的噬菌体颗粒；②宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸；③前噬菌体。另外，温和噬菌体可有溶原性周期和溶菌性周期（图4－5），而毒性噬菌体只有一个溶菌性周期。
溶原状态通常十分稳定，能经历许多代。但在某些条件如紫外线、X线、致癌剂、突变剂等作用下，可中断溶原状态而进入溶菌性周期，这称为前噬菌体的诱导与切离（excision），发生率为10-2～10-5。极少数溶源性细菌中的前噬菌体离开细菌基因组后，不进入溶菌性周期，这个现象被形象地称之为“治愈”。
溶原性细菌具有抵抗同种或有亲缘关系噬菌体重复感染的能力，即使得宿主菌处在一种噬菌体免疫状态。
某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，这称为溶原性转换（lysogenic conversion）。例如白喉棒状杆菌产生白喉毒素，是因其前噬菌体带有毒素蛋白结构基因；A群溶血性链球菌受有关温和噬菌体感染发生溶原性转换，能产生致热外毒素；肉毒梭菌的毒素、金黄色葡萄球菌溶素的产生，以及沙门菌、志贺菌等的抗原结构和血清型别都与溶原性转换有关。
第四节 噬菌体的应用
细菌的鉴定与分型噬菌体与宿主菌的关系具有高度特异性，即一种噬菌体只能裂解一种和它相应的细菌，故可用于未知细菌的鉴定和分型。例如用伤寒沙门菌Vi噬菌体可将有Vi抗原的伤寒沙门菌分为96个噬菌体型。这对流行病学调查、追查传染源等具有重要意义。
分子生物学研究的重要工具噬菌体对基因工程理论与技术的发展已
经发挥了重要作用。噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，而且容易获得大量的突变体，因此成为研究基因复制、转录、重组、表达调控机制等的重要工具；成为研究DNA、RNA和蛋白质相互作用的良好模型系统。近年来，利用λ噬菌体作为载体构建基因文库；利用丝形噬菌体表面表达技术构建肽文库、抗体文库和蛋白质文库等，又使噬菌体成为分子生物学研究中的重要载体。
细菌感染的诊断与治疗应用噬菌体效价增长试验可检测标本中的相应细菌。即在疑有某种细菌存在的标本中，加入一定数量的已知的相应噬菌体，37℃孵育6～8 h，再进行该噬菌体的效价测定。若其效价有明显增长，则表明标本中有某种细菌的存在。若在一标本中检出某种噬菌体，且数量较多，也表明有相应细菌的存在。
在有些局部感染时可用噬菌体作为一种辅助治疗，如应用铜绿假单胞菌噬菌体治疗创口感染。但由于噬菌体的特异性过于专一，限制了噬菌体在临床上的广泛应用。
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