噬菌体(bacteriophage)
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噬菌体(bacteriophage)是感染细菌的病毒。
基本特性
- 个体微小，可以通过细菌滤器;
- 结构简单，无细胞结构，主要由蛋白质构成的衣壳和包含于其中的核酸(DNA 或RNA)组成;
- 只能在活细菌内复制增殖，是一种专性胞内寄生的微生物。
噬菌体的生物学性状
形态与结构
光学显微镜下噬菌体肉眼不可见，在电子显微镜下噬菌体有三种基本形态，即蝌蚪形、微球形和细杆形。大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成。头部呈六边形立体对称，由蛋白质衣壳包绕核酸组成；尾部是一管状结构，由内部中空的尾髓和外面包裹的尾鞘组成，尾鞘具有收缩功能，可将头部的核酸注入宿主菌细胞内;尾部末端有尾板、尾刺和尾丝，尾板内可能含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异性受体。头部和尾部连接处有尾领和尾须，尾领与头部装配有关，某些噬菌体尾部很短或缺失。
- 头部
- 尾部
- 尾髓和外面包裹的尾鞘
- 尾部末端有尾板、尾刺和尾丝
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，噬菌体的基因组大小为2~200kbp。蛋白质构成噬菌体的头部衣壳与尾部，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。
噬菌体的核酸类型为 DNA或 RNA，据此可将菌体分成 DNA 噬菌体和 RNA 噬菌体两大类。
大多数 DNA 噬菌体的核酸为
- 线状双链 DNA (double-stranded DNA， dsDNA)，
- 但某些微小 DNA 噬菌体的核酸为环状单链 DNA (single-stranded DNA， ssDNA)。
多数 RNA 噬菌体的核酸为
- 线状单链 RNA (single-stranded RNA，ssRNA)
- 少数为分节段的线状双链 RNA(double-stranded RNA，dsRNA)。
有尾噬菌体的核酸均为线状 dsDNA，无尾噬菌体的核酸为环状 ssDNA 或线状 ssRNA。
某些噬菌体的基因组中含有异常碱基，如大肠埃希菌T偶数噬菌体无胞嘧啶，而代之以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，而代之以尿嘧啶或5-羟甲基尿嘧啶。由于这些异常碱基不会出现在宿主菌基因组中，因此可作为噬菌体 DNA 的天然标记。
抗原性
噬菌体具有抗原性，能够刺激机体产生特异性抗体。该抗体能抑制相应噬菌体侵袭宿主菌，但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体无效。
抵抗力
噬菌体对理化因素的抵抗力比一般细菌繁殖体强，加热70°C，30分钟仍不失活，也能耐受低温。大多数噬菌体能抵抗乙醚、三氯甲烷和乙醇，在5g/升汞和5g/苯酚中，经3～7天不丧失活性，而在过饱和氯化钙溶液中，保持数年不失活。但对紫外线和X 射线敏感，一般经紫外线照射10～15 分钟即失去活性。
毒性噬菌体
根据与宿主菌的相互关系，噬菌体可分为两种类型：
- 一种是能在宿主菌的细胞内复制增殖，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）或烈性噬菌体（lytic phage）；
- 另一种是噬菌体基因组整合于宿主菌的染色体中，不产生子代噬菌体，也不引起细菌裂解，但噬菌体DNA随细菌基因组的复制而复制，并随细菌的分裂而分配至子代细菌的基因组中，称为温和噬菌体（temperate phage）或溶原性噬菌体（Iysogenic phage）。
毒性噬菌体在宿主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、装配与释放等四个阶段。从噬菌体吸附开始至宿主菌裂解释放出子代噬菌体为止，称为噬菌体的复制周期或溶菌周期。其复制周期与其他病毒的复制周期相似，只是缺乏脱壳阶段，其衣壳仍保留在被感染的菌体之外。 - 吸附 吸附是噬菌体表面蛋白与其宿主菌表面受体发生特异性结合的过程，其特异性取决于两者分子结构的互补性。不同噬菌体的吸附方式不同，蝌蚪形噬菌体以尾丝、尾刺吸附；大多数细杆形噬菌体以其末端吸附；某些细杆形噬菌体及微球形噬菌体可吸附于细菌的性菌毛上，所以这些噬菌体仅感染有性菌毛的F+ 菌。只要细菌具有特异性受体，无论死活，噬菌体均能吸附，但噬菌体核酸不能进人已死亡的宿主菌内。
- 穿入 有尾噬菌体吸附于宿主菌后，借助尾部末端的溶菌酶在宿主菌细胞壁上溶一小孔，然后通过尾鞘的收缩，将头部的核酸注入菌体内，而蛋白质衣壳留在菌体外。无尾噬菌体与细杆形噬菌体可以脱壳的方式将核酸释放到宿主菌内。
- 生物合成 噬菌体核酸进入细菌细胞后，一方面通过转录生成 mRNA，再由此翻译成菌体所需的与其生物合成有关的酶、调节蛋白和结构蛋白等；另一方面以噬菌体核酸模板，大量复制子代噬菌体的核酸。
- 装配与释放 子代噬菌体的蛋白质与核酸分别合成后，在宿主菌细胞质中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，裂解细菌细胞释放出子代噬菌体，后者又可感染新的宿主菌。部分丝状噬菌体是以出芽方式逐个释放子代噬菌体。
图：噬菌体的复制周期
在液体培养基中，噬菌体裂解宿主菌可使混浊菌液变澄清；而在固体培养基上，将适量的噬菌体和宿主菌液混合接种培养后，培养基表面可出现透亮的溶菌空斑，称为噬斑（plaque）。每个噬斑即一个噬斑形成单位（plaque forming units,PFU），由一个噬菌体复制增殖并裂解宿主菌后形成，不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同。计数平板上噬斑数可推算出样品中活噬菌体的数量，通常以 PFU/ml 表示。
温和噬菌体
温和噬菌体的基因组整合于宿主菌基因组中，这种整合在细菌染色体上的噬菌体基因称为前噬菌体（prophage）。前噬菌体可随细菌染色体的复制而复制，并通过细菌的分裂而传给下一代，不引起细菌裂解，这种带有前噬菌体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染色体而进入溶菌周期，产生成熟的子代噬菌体，导致细菌裂解。温和噬菌体具有的这种产生成熟子代噬菌体颗粒和裂解宿主菌的潜在能力，称为溶原性（lysogeny）。
由此可知温和噬菌体有三种存在状态：
- 游离的具有感染性的噬菌体颗粒；
- 宿主菌细胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸；
- 前噬菌体。
温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期，而毒性噬菌体只有溶菌性周期。
溶原性转换
溶原性细菌因携带前噬菌体，从而获得由噬菌体基因编码的某些生物学性状，称为溶原性转换（Iysogenic conversion）。溶原性转换可使某些细菌发生毒力变异或免疫原性变异。如白喉棒状杆菌产生白喉毒素的机制，是因为携带白喉毒素基因 tox 的β-棒状杆菌噬菌体感染白喉棒状杆菌后，可将tox 基因整合于宿主菌基因组中，使其获得产生白喉毒素的能力，成有毒株。另外，肉毒梭菌产生的肉毒毒素、金黄色葡萄球菌产生的溶素，以及沙门菌、志贺菌等抗原结构和血清型别均与溶原性转换有关。若这些溶原性细菌失去相应的前噬菌体，其产生相关毒素的能力也随之消失。
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，使宿主菌处在一种噬菌体免疫状态。这种免疫性不同于细菌对噬菌体的抗性突变，这种抗性可使噬菌体不能吸附于细菌表面的特异性受体。当溶原性细菌失去其前噬菌体，则有关性状亦随之消失。
- 白喉毒素
- 肉毒毒素
- 金黄色葡萄球菌产生的溶素
- 沙门菌、志贺菌等抗原结构和血清型
假溶原性（pseudolysogeny）
某些噬菌体仅作非复制状态的染色体外遗传物质存在于宿主菌中。当细菌繁殖时，噬菌体的基因组不对称地分配到子代细菌中的现象，称为假溶原性（pseudolysogeny）。假溶原性是噬菌体免受环境中理化因素影响的保护机制，通常在不利环境中形成，一旦生长条件适宜，噬菌体就能进入溶原性或溶菌性周期。
噬菌体的应用
- 细菌的鉴定和分型 由于噬菌体裂解细菌有种的特异性，故可用于细菌的鉴定。如利用已知的噬菌体鉴定未知的霍乱弧菌、鼠疫耶尔森菌等。噬菌体裂解细菌又有型的特异性，所以又可用噬菌体对某一种细菌分型，即该菌的噬菌体型。如利用伤寒沙门菌Vi 噬菌体已将有Vi抗原的伤寒沙门菌分为 96个噬菌体型。
- 检测标本中的未知细菌
- 噬菌体在自然界中分布广泛，凡有细菌的地方，如污水、土壤、人和动物的排泄物等都可能有噬菌体。所以，从标本中检出某种噬菌体常提示该标本中曾有相应的细菌存在。
- 根据噬菌体必须在活的敏感细菌内才能增殖这一特性，如将检测标本与一定数量已知菌体放到一起培养，只要噬菌体明显增加，即提示该标本中有相应的细菌存在。
- 基因工程的工具 噬菌体在基因工程上可做外源基因的载体，常用的有E.coli 的K12入和M13噬菌体。前者可与外源基因重组后再转入到E.col 中，能在菌细胞内扩增外源基因或表达外源基因产物。因其可与较大的DNA片段（20kbp）重组，故可用来建立真核细胞染色体的基因文库。后者是一种含环状 ssDNA 的丝状噬菌体，进入宿主细菌后，先变成双链复制中间型（replicative intermediate, RI），然后进行复制。子代噬菌体释放并不使细菌裂解，该类噬菌体又称慢性噬菌体（chronic phage）。此RI 如与外源 DNA重组转入受体菌，外源 DNA则在受体菌内扩增并以单链形式分泌到菌体外，可做 DNA 序列分析的模板。另外，工程化改造的噬菌体可用于调控肠道菌群、改变细菌耐药性、递送药物、开发 CRISPR 基因编辑工具、破坏生物被膜和设计疫苗等领域。
- 用于细菌性感染的治疗 由于噬菌体对细菌的感染具有种的特异性不像使用抗生素那样容易造成菌群失调或耐药，细菌对噬菌体产生耐受的可能性较小。因此可成为新的抗菌物质，尤其对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌等这些容易产生耐药性的细菌应用价值更大，有着较好的前景。
Possible questions
能在宿主菌的细胞内复制增殖，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)或烈性噬菌体(Iytic phage)
噬菌体基因组整合于宿主菌的染色体中,不产生子代噬菌体,也不引起细菌裂解,但噬菌体DNA 随细菌基因组的复制而复制,并随细菌的分裂而分配至子代细菌的基因组中,称为温和噬菌体(temperate phage) 或溶原性噬菌体(Lysogenic phage)。
在固体培养基上，将适量的噬菌体和宿主菌液混合接种培养后，培养基表面可出现透亮的溶菌空斑，称为噬斑（plaque）。每个噬斑即一个噬斑形成单位（plaque forming units,PFU），由一个噬菌体复制增殖并裂解宿主菌后形成，不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同。计数平板上噬斑数可推算出样品中活噬菌体的数量，通常以 PFU/ml 表示。
吸附、穿入、生物合成、装配与释放
温和噬菌体的基因组整合于宿主菌基因组中，这种整合在细菌染色体上的噬菌体基因称为前噬菌体（prophage）
前噬菌体可随细菌染色体的复制而复制，并通过细菌的分裂而传给下一代，不引起细菌裂解，这种带有前噬菌体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染色体而进入溶菌周期，产生成熟的子代噬菌体，导致细菌裂解。温和噬菌体具有的这种产生成熟子代噬菌体颗粒和裂解宿主菌的潜在能力，称为溶原性（lysogeny）。
- 游离的具有感染性的噬菌体颗粒；
- 宿主菌细胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸；
- 前噬菌体。
溶原性细菌因携带前噬菌体，从而获得由噬菌体基因编码的某些生物学性状，称为溶原性转换（Iysogenic conversion）
某些噬菌体仅作非复制状态的染色体外遗传物质存在于宿主菌中。当细菌繁殖时，噬菌体的基因组不对称地分配到子代细菌中的现象，称为假溶原性（pseudolysogeny）。假溶原性是噬菌体免受环境中理化因素影响的保护机制，通常在不利环境中形成，一旦生长条件适宜，噬菌体就能进入溶原性或溶菌性周期。
霍乱毒素、肉毒毒素、大肠埃希菌志贺毒素、白喉毒素、链球菌致热外毒素的基因位于前噬菌体上的基因位于前噬菌体上
- 个体微小，可以通过细菌滤器;
- 结构简单，无细胞结构，主要由蛋白质构成的衣壳和包含于其中的核酸(DNA 或RNA)组成;
- 只能在活细菌内复制增殖，是一种专性胞内寄生的微生物。