噬菌體簡介

劉學(xué)廷

(江蘇省淮安中學(xué) 223200)

噬菌體是一類病毒，因能感染細菌，引起其裂解，所以稱為噬菌體，又稱細菌病毒。它們由英國科學(xué)家F.W.Twort和法裔加拿大微生物學(xué)家F.d.Herlle分別于1915年和1917年發(fā)現(xiàn)并命名。據(jù)報道,除了廣為人知的以大腸桿菌為宿主的T 2噬菌體外，至今已作過電鏡觀察的噬菌體至少有2850種(株), 其中有2700 種(株)是有尾的[1]，它們都具有病毒的共同特征：個體微小、無細胞結(jié)構(gòu)、只含DNA或RNA一種核酸、一旦離開宿主既不能生長也不能復(fù)制。近年來還發(fā)現(xiàn)，噬菌體除了感染細菌外，還能感染真菌、藻類、放線菌或螺旋體等微生物。

1 噬菌體的種類

噬菌體主要由蛋白質(zhì)和核酸構(gòu)成，可以根據(jù)蛋白質(zhì)外殼或核酸的結(jié)構(gòu)特點對噬菌體進行分類。根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可將噬菌體分為3類：①無尾部結(jié)構(gòu)的20面體，外表由規(guī)律排列的蛋白質(zhì)組成的衣殼，核酸則被包裹在內(nèi)部，電鏡下觀察這類噬菌體為球狀；②有尾部結(jié)構(gòu)的20面體，除了20面體的頭部外，還有由一個中空的針狀結(jié)構(gòu)及外鞘組成的尾部，以及尾絲和尾刺(尾針、刺突)組成的基部，電鏡下觀察這類噬菌體呈蝌蚪狀；③線狀體，這類噬菌體沒有明顯的頭部結(jié)構(gòu)，而是由蛋白質(zhì)殼粒組成的盤旋狀結(jié)構(gòu)，電鏡下觀察其形狀為線狀。

目前已知的噬菌體大多數(shù)是有尾部結(jié)構(gòu)的正20面體(另外還有正4面體、6面體、8面體和12面體)，這是因為正多面體是多面體里最簡單的結(jié)構(gòu)，搭建起來最容易。正20面體最接近球形，在體積相同的情況下，需要更少的材料，更為節(jié)省。

根據(jù)核酸特點可將噬菌體分為4類： 單鏈RNA(ssRNA)、雙鏈RNA(dsRNA)、單鏈DNA(ssDNA)和雙鏈DNA(dsDNA)。此外，噬菌體還有環(huán)狀和鏈狀之分。

綜合噬菌體的形狀、蛋白質(zhì)和核酸組成等特點，并根據(jù)有無頭部和尾部可細分為A～F六種類型(表1[2])。

表1 噬菌體的形態(tài)特征

2 噬菌體的結(jié)構(gòu)

噬菌體的結(jié)構(gòu)比較簡單，一般分為頭尾兩部。頭部為蛋白質(zhì)構(gòu)成的衣殼組成，通常為對稱的多邊體，核酸位于頭部的核心；尾部通常為一長管，有的噬菌體的尾部末端還有尾絲，用以吸附在細菌上。有的噬菌體沒有尾或尾很短，也沒有尾絲。以T 4噬菌體為例，由頭部、頸部、尾部三部分組成，其中頭部呈20面體對稱，主要由蛋白質(zhì)組成，頭部的核心是雙鏈線狀DNA，頭部和尾部之間是頸環(huán)和頸須組成的頸部，尾部由尾管、尾鞘、尾板(基板)、尾刺、尾絲五部分構(gòu)成，其中尾管是噬菌體中的核酸注入宿主細胞的必由之路，尾絲為專一吸附在宿主細胞受體的結(jié)構(gòu)，當尾絲吸附到宿主細胞表面時，尾鞘發(fā)生收縮，導(dǎo)致尾管插入宿主細胞，進而頭部的核酸通過中空的尾管注入宿主細胞內(nèi)，猶如注射器肌肉注射藥物一樣。

3 噬菌體的繁殖

噬菌體的種類繁多，但噬菌體的繁殖過程基本一致，一般分為五個階段：吸附→侵入→復(fù)制合成→成熟(裝配)→釋放。

吸附：當噬菌體與宿主細胞接觸后，其尾絲尖端與宿主細胞的特異性受體接觸，觸發(fā)尾絲展開，進而吸附在宿主細胞表面，然后噬菌體的尾刺和尾板固定在宿主細胞上，不同的噬菌體有不同的吸附位點。

侵入：吸附后，尾管釋放少量的溶菌酶破壞細菌的細胞壁，進而打開一個缺口，然后尾鞘像肌動蛋白和肌球蛋白的作用一樣收縮，導(dǎo)致尾管伸入細胞壁內(nèi)，把頭部的DNA注入宿主的細胞內(nèi)，其蛋白質(zhì)外殼留在壁外，不參與增殖過程。

復(fù)制合成階段：此階段包括DNA的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成，噬菌體DNA進入宿主細胞后，逐漸控制了細胞的代謝，使細菌的DNA合成停止、酶的合成受到阻抑。然后噬菌體利用宿主細胞的場所、物質(zhì)和能量，大量地復(fù)制子代噬菌體的DNA和合成噬菌體的蛋白質(zhì)，并形成完整的噬菌體顆粒。

成熟：噬菌體的成熟過程實質(zhì)是噬菌體的各部件組裝過程，例如，T 4噬菌體組裝過程如下：DNA分子縮合→衣殼包裹DNA形成頭部→尾部裝配(包括尾板裝上尾管，再裝上尾鞘)→頭部與尾部結(jié)合→裝上尾絲。

釋放：當宿主細胞內(nèi)的大多數(shù)噬菌體成熟后，由于溶菌酶水解細胞壁、脂肪酶水解細胞膜，導(dǎo)致宿主細胞裂解，釋放子代噬菌體(有一些絲狀噬菌體以分泌方式從受染細胞中釋放出來，它不裂解宿主細胞，但宿主細胞的生長速度卻大大降低)。

能完成上述五個步驟，可使宿主細胞裂解死亡的噬菌體也稱為烈性噬菌體。還有一些噬菌體感染細菌后，并不裂解宿主細胞，而是將其自身的DNA整合進宿主細胞的DNA上，并隨宿主細胞DNA復(fù)制而同步復(fù)制，這種噬菌體稱為溫和噬菌體。其核酸一般為dsDNA，如P 1和P 2噬菌體。整合在細菌基因組中的噬菌體基因組稱為前噬菌體，帶有前噬菌體基因組的細菌稱為溶原性細菌。前噬菌體偶爾可自發(fā)地或在某些理化和生物因素的誘導(dǎo)下脫離宿主基因組而進入溶菌周期，產(chǎn)生成熟噬菌體，導(dǎo)致細菌裂解[3]。

4 噬菌體的應(yīng)用

4.1 噬菌體在醫(yī)藥上的應(yīng)用 由于噬菌體能特異性的裂解并殺死細菌，因此噬菌體是一種潛在的治療細菌感染的新型制劑。早在多年之前，醫(yī)學(xué)專家曾設(shè)想：能否利用某些特定的噬菌體來消滅那些對人類健康構(gòu)成極大威脅的致病菌，例如，d′Herelle 在1919 年首次嘗試用噬菌體治療禽類流感(沙門氏菌)、家兔痢疾(志賀氏菌)和牛出血性敗血癥(巴氏桿菌)；Richard Bruynoghe 和Joseph Maisin 在1921年嘗試使用噬菌體來治療金黃色葡萄球菌引起的人類皮膚??；1930—1939年間，許多研究者和公司紛紛將噬菌體治療商業(yè)化，噬菌體研究進入快速發(fā)展時期[4]。

然而，由于抗生素的發(fā)明，并因其良好的治療效果，人們逐漸放棄了對噬菌體治療疾病的研究，轉(zhuǎn)而投入抗生素的研究中。而抗生素的濫用導(dǎo)致抗藥性的出現(xiàn)，人們又將目光重新投入噬菌體治療人類和動物疾病的研究上，并取得了階段性成果。例如，Litvinova用噬菌體和雙歧桿菌聯(lián)合治療因抗生素導(dǎo)致菌群失調(diào)的患兒，患兒癥狀獲得明顯改善；有的科學(xué)家采用多種噬菌體聯(lián)合處理的“雞尾酒”療法，即利用多種噬菌體共同裂解病原菌；有的科學(xué)家還將噬菌體與抗生素結(jié)合使用，以殺滅病原菌，目的是利用噬菌體使病原菌變得脆弱，再利用抗生素將病原菌殺滅，或者利用噬菌體將大部分病原菌殺滅，而利用抗生素殺滅抗噬菌體的菌株[5]。

4.2 噬菌體在食品工業(yè)上應(yīng)用 在食品生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，利用噬菌體殺滅或抑制病原菌。例如，在奶牛擠奶之前，給其服用噬菌體制劑，殺滅其體內(nèi)的細菌，減少牛奶中的病原菌污染；對食品加工的地面、墻壁上和加工設(shè)備等也可用噬菌體來凈化，如用噬菌體混合物處理被阪崎腸桿菌污染的不銹鋼盤表面后，沒有再發(fā)現(xiàn)該菌，而未被處理的對照組仍有該菌存活，甚至可輕微生長；還可以用噬菌體作為天然防腐劑延長食品的儲存期，用噬菌體作為抗菌劑對新鮮的水果消毒，用噬菌體來檢測食品中的致病菌[6]。由于噬菌體具有嚴格的宿主特異性，在殺滅食源性致病菌的同時不會殺死生產(chǎn)中的發(fā)酵菌株。因此，在食品生產(chǎn)中使用噬菌體是安全可靠的。

4.3 噬菌體在水產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用 隨著水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高產(chǎn)、高密度養(yǎng)殖的比例增加以及環(huán)境條件的惡化，水產(chǎn)經(jīng)濟動物的發(fā)病率逐年增加。以往，針對病原菌的治療往往局限在大量使用抗生素和消毒劑，導(dǎo)致病原菌耐藥性增加。目前，噬菌體作為細菌病毒在水產(chǎn)養(yǎng)殖上廣泛受到世人的關(guān)注并有不少成功案例。例如，Park 等將兩株綠膿假單胞菌噬菌體與飼料混合喂食魚，成功治愈魚的細菌性血型腹水；Nakai等發(fā)現(xiàn)，通過注射或者口服加氏乳球菌噬菌體，治療鯡魚加氏乳球菌感染取得理想效果；李太武等使用一定濃度的噬菌體有效的治愈或推遲膿皰病引起的鮑死亡，將鮑的成活率提高50%以上[7]。

4.4 噬菌體在基因工程中的應(yīng)用 表達載體的構(gòu)建是基因工程的重要環(huán)節(jié)，理想的載體一般有以下幾點要求：能在宿主細胞中復(fù)制繁殖，容易進入宿主細胞，要有合適的限制性核酸內(nèi)切酶位點，容易從宿主細胞中分離純化出來，有容易被識別篩選的標志。由于噬菌體具有侵染宿主細胞并能將自身DNA插入宿主細胞DNA中，進而改變宿主細胞性狀的特性，因此，目前用感染大腸桿菌的λ噬菌體改造成的載體在基因工程中的應(yīng)用最為廣泛。λ噬菌體基因組中，有一半是自身生命活動必需的必要基因，另一半則是對自身生命活動無重大影響的非必要基因，可將外源基因取代非必要基因，并使其去感染大腸桿菌，并隨噬菌體的溶菌過程而繁殖。利用改造的λ噬菌體感染大腸桿菌要比質(zhì)粒轉(zhuǎn)化細菌的效率高得多。