13505162673
产品展示
全国服务热线

13505162673

下载中心
噬菌体的概述
发布时间:2020-08-09 11:44:16 点击次数:417

秦生巨 

(原中国医学细菌保藏管理中心弧菌噬菌体专业实验室主任)



在流行病学和细菌学的研究中,噬菌体的研究及其应用已越来越引起人们广泛的关注。

噬菌体是一类细菌特异性的病毒,它有典型的病毒形态和结构。噬菌体对宿主有高度的特异性,噬菌体的宿主范围是鉴别菌株的一个有用的特性,但并不是一个不变的特性。噬菌体的作用方式,是以尾鞘吸附到宿主细胞特定的受点上,向菌体内注射RNA,并在菌体内复制子代,最终以溶解宿主菌的方式,释放子代。噬菌体不能在停止新陈代谢的宿主菌内生长繁殖。

本文就噬菌体的检测方法、形态结构、理化特性、化学组成、作用机理及其应用范围等作系统的阐述。

一、噬菌体的检测方法

噬菌体的分离可用平板接种法或肉汤培养物的裂解法。噬菌体的测定目前已普遍采用双层琼脂平板法。在这些方法中所采用的宿主均为新陈代谢中的细菌(活菌),一旦宿主菌停止新陈代谢,则噬菌体的生长繁殖同时停止。噬菌体的生长温度为37℃。用检查蛭弧菌的方法检查噬菌体,不能形成噬菌斑。

平板接种效率是检测噬菌体颗粒在接种平板后实际形成噬菌斑的比例数的常用方法。它取决于噬菌体颗粒吸附敏感宿主细胞的能力和被感染宿主释放噬菌体的能力。影响平板接种效率的因素很多,如培养物中死菌的存在,以及培养基的成份等。

二、噬菌体的形态与结构

噬菌体不能在光学显微镜下观察到,因此,对噬菌体形态、结构的认识,得从电子显微镜开始,这一点与细菌素是相同的。噬菌体个体叫做病毒粒子,它的形状有 3 种,包括蝌蚪形、微球形和纤丝形。

目前已知大部分噬菌体是属于蝌蚪形,它由头和尾两部分组成。噬菌体尾部的结构比较复杂,是感染、吸附、侵入宿主细胞的器官。 按其尾部形态特征可分为两类,一类尾部较长,有伸缩性尾鞘,如 T2、T4 和 T6 等;另一类尾部无伸缩性,并呈现不同程度的易变性, 如 T1、T3、T5、T7 和λ噬菌体等。以 T2 噬菌体为例,头呈六角棱 柱体,头长 95nm,宽 65nm。外壳是蛋白质,由 2000 个蛋白质亚单位组成。亚单位的分子量为 80kD,外壳厚 2.5-3nm ,具有弹性、能伸缩,有助于核酸“注射”到宿主菌体内。尾部至少有尾鞘、尾髓、 基板、尾丝、尾针等几部分组成。

微球形噬菌体较小,约 20-60nm,电镜可见到呈二十面体的结构,没有尾部或突起。φ174 在二十面体的每个顶角附有一个纽结 结构。噬菌体颗粒的蛋白质外壳包着核酸。

纤丝形噬菌体结构较为简单,呈弯曲丝状,长度可达 600-800nm,没有吸附器官,可直接穿过胞壁而侵染宿主。 

三、噬菌体的化学组成和理化特性

噬菌体元素组成主要包括碳、氢、氧、氮、硫等。WH 分析表明,碳为 42%,氮 13.2%,氢 6.4%,磷 3.7%。这些元素组成的核酸 和蛋白质,占噬菌体重量的 90%以上。核酸组成噬菌体的髓核,是遗传信息的载体,蛋白质组成噬菌体的衣壳,具有保护作用。核酸和蛋白质约各占一半,随种类的不同而变化。

噬菌体的核酸分 DNA 和 RNA,但在同一噬菌体中不可能同时含有 DNA 和 RNA 这是噬菌体分类的基本依据。其中又分单链和双链。

T 偶数噬菌体 DNA 中的胞嘧啶被 5-羟甲基胞嘧啶所取代。近年来发现大肠杆菌噬菌体和伤寒沙门氏菌噬菌体都含有 5-羟甲基胞嘧啶。有的噬菌体 DNA 中的胸腺嘧啶被 5-羟甲基尿嘧啶取代。还有某些噬菌体 DNA 中含有已糖-葡萄糖,并与 5-羟甲基胞嘧啶的羟甲基相联结。

噬菌体中的蛋白质主要组成外壳,氨基酸形成的多肽链组成每个蛋白质亚单位,它们在形态上叫壳粒。一个壳粒蛋白实际上就是具有高级结构的蛋白质,噬菌体颗粒就是其四级结构的核蛋白大分子。

T 偶数噬菌体除头部蛋白和可以收缩的尾部蛋白质外,还有一些功能不明的内部蛋白,占总蛋白质的 3%,此外还含有少量其他物质,如酸溶性肽类,主要为门冬氨酸、谷氨酸和赖氨酸;两种酸 溶性多胺——腐胺和精胺。

四、噬菌体对宿主菌的作用

当噬菌体吸附到宿主特异的受点时,噬菌体尾部丝散开,固着于特异的受点,随之刺突和基板固定在受体上。有的噬菌体为丝状噬菌体,只吸附在性纤毛上。二价和一价离子可以促进噬菌体的吸附,如 T1 在 0.001mol Ca2+、Mg2+、Ba2+或 0.01mol Na+、K+、Li+时 吸附最适合。三价阳离子可以引起噬菌体失活。

T 偶数噬菌体尾丝散开并固着于细胞,随后在受点上尾孔端扎入,尾部溶菌酶消解宿主细胞壁的坚固内层,溶成孔洞,尾鞘象肌 动球蛋白的作用一样,收缩、露出尾鞘,伸入宿主细胞壁,如同注射器注射动作,将头部的 DNA 注入宿主胞内。ATP 和 dATP 参与这个侵入过程,约有 70%高能 ATP 水解成 ADP 或 dADP,这种能源似与宿主无关。侵入细胞物质仅是核酸,蛋白质外壳留在胞壁外,不参与增殖过程,在核酸注入时,也有极微量的内部蛋白质参与,从吸 附到侵入时间短,如 T4 只需 15 秒。但温度降至 15℃时,则延长至 7 分钟,33℃时需 3 分钟完成。

噬菌体的 DNA 注入细菌细胞后起作支配作用,大量复制子代噬菌体的 DNA 和蛋白质。合成子代噬菌体的材料来自入侵的个体以及细胞降解物和培养基介质。噬菌体的合成借助于细胞代谢机构,由于本身的核酸物质操纵。

当核酸进入宿主细胞后,不能在细胞中找到噬菌体。在增殖的不同时期内,利用人工方法打开宿主细胞,发现在增殖前期,已经有噬菌体蛋白质存在,血清学方法证明是尾部蛋白质,被侵染的宿主细胞,开始 DNA 的合成暂时停止,约过 5-6 分钟后,DNA 的合成速度增加,合成量超过子代所需的量。在细胞内合成噬菌体的 DNA 和蛋白质,装配成完整的噬菌体,最后细胞壁裂解,释放出子代噬菌体。溶菌酶在子代噬菌体释放过程中起一定的促进作用。

噬菌体侵入宿主细胞进行系列合成反应时,宿主细胞本身进行 了一系列工作,以修复噬菌体侵入所引起的创伤,并加固胞壁的结 构,阻止细胞质的继续渗出。噬菌体巧妙地利用宿主细胞的“机器” 而有效地合成自身。

五、噬菌体的应用

噬菌体的生活史可分成两种途径:裂解途径(lytic pathway) 和溶原途径(lysogenic pathway),形成了烈性噬菌体和温和性噬菌体之分。

1、烈性噬菌体:仅能裂解生长的噬菌体叫烈性噬菌体(virulent)。 烈性噬菌体指在短时间内能连续完成吸附、侵入、增殖、装配、裂解五个阶段,实现其繁殖噬菌体子代。烈性噬菌体进入宿主体内改变宿 主性质,使制造噬菌体能工厂大量产生新的噬菌体,导致宿主烈解死亡。

2、温和性噬菌体:温和性噬菌体指吸附并感染宿主细胞,噬菌体 DNA 整合宿主核酸染色体组,并不复制噬菌体子代。它们把染色体整合到宿主的染色体中,此时的噬菌体称为原噬菌体(prophage)。带有原噬菌体的细菌称为溶原性细菌。

3、溶原性:溶原性是无外在噬菌体颗粒感染时却能产生噬菌体的遗传特性。 

4、溶原性细菌:具有产生噬菌体的能力并将此特性传递给它的后代的细菌。溶原性细菌在自然界是很常见的,可能是噬菌体的主要储存者。溶原性在某些方面与动物和植物病毒的潜伏现象相像。溶原 现象与细菌遗传问题密切相关,而且已经是研究一些菌属遗传结构和功能的有力工具。

在自然界中,溶原性的分布是很广泛的。目前已经发现的细菌中(葡萄球菌、弧菌、假单胞杆菌、沙门氏菌、芽孢杆菌、棒状杆菌等等)有很多细菌是溶原性的。在沙门氏菌属和葡萄球菌属的某些种别 中,几乎每一个菌株都是溶原性的。单独一个菌株可以释放出多达 5 个不同型的噬菌体。

5、噬菌体的应用:噬菌体分型技述目前已广泛的被采用。1938 年,颜春晖首次报道伤寒沙门菌的 Vi 噬菌体分型法,这个方法后 来成为噬菌体作细菌分型的一个模型。噬菌体分型技术在流行病学 追踪传染源方面有独特的作用。如弧菌噬菌体分型、沙门菌噬菌体 分型、金葡菌噬菌体分型、白喉杆菌噬菌体分型、绿脓杆菌噬菌体分型等。

噬菌体对宿主细胞的吸附有很强的特异性,有人利用这一特性,用噬菌体治疗某些感染性疾病。如利用绿脓杆菌噬菌体可有效的抑制绿脓菌的感染。用药途径以体表感染外用效果最佳,次之腔道喷雾,以口服治疗效果最差。

何晓青等近年来利用噬菌体鉴定肠杆菌科细菌得到了满意的结果,为沙门菌的检测提供了极大的方便。

秦生巨等近年来在偿试利用噬菌体预防畜禽和水生物的细菌病,并取得了许多进展。

噬菌体作为生物材料等在生物研究中已广泛应用,如大肠杆菌噬菌体等。

研究证明,噬菌体的用药途径以体表感染外用效果最佳,次之腔道喷雾,以口服治疗效果最差。因为,噬菌体进入人(动物)体内某些生物酶被破坏,对相应的宿主细胞是没有吸附和裂解作用的。也就是说如果未经特殊技术处理的噬菌体口服给药效果是很差的。也就是说不是所有噬菌体都可以用于某些细菌病预防治疗的。



服务热线 13505162673
官方微信

马上了解
巨豹生物工程

版权所有:南京巨豹生物工程有限公司   苏ICP备18018936号

技术支持:易动力网络