[转移贴]噬菌体的形态结构

cao1976

原贴由littlevirus 发表于 2008-3-29 14:13

电子显微镜下观察噬菌体有三种基本形态：蝌蚪形、微球形和丝状，从结构来看又可分为六种不同的类型，见图 3.5 。

图 3.5 噬菌体的基本形态和大小
图中所列的 T- 系噬菌体是目前研究得最广泛而又较深入的细菌噬菌体，并对它们进行了从 T 1 -T 7 的编号，这类噬菌体呈蝌蚪形。
大肠杆菌 T 4 噬菌体为典型的蝌蚪形噬菌体，由头部和尾部组成。头部为由蛋白质壳体组成的廿面体，内含 DNA 。尾部则由不同于头部的蛋白质组成，其外包围有可收缩的尾鞘，中间为一空髓，即尾髓。有的噬菌体的尾部还有颈环、尾丝、基板和尾刺 ( 图 3.6) 。 

图 3.6 大肠杆菌 ( E.coli ) 噬菌体结构 ( 引自 Prescott et al., 2002) 和电镜照片

图 3.7 噬菌体 T 4 吸附在大肠杆菌细胞 ( Madigan et al., 1997)
A. 未吸附 B.C. 尾部附着 D. 尾鞘收缩，注入 DNA
二、烈性噬菌体的增殖周期 
根据噬菌体与宿主细胞的关系可分为烈性噬菌体 (virulent phage) 和温和性噬菌体 (temperate phage) 。凡侵入细胞后，进行营养繁殖，导致细胞裂解的噬菌体称烈性噬菌体。而侵入细胞后，与宿主细胞 DNA 同步复制，并随着宿主细胞的生长繁殖而传下去，一般情况下不引起宿主细胞裂解的噬菌体，称温和性噬菌体。但在偶尔的情况下，如遇到环境诱变物甚至在无外源诱变物情况下可自发地具有产生成熟噬菌体的能力。
大肠杆菌 T 系偶数噬菌体的生活周期研究得最早和较深入，这里以 T- 系偶数噬菌体为模式介绍噬菌体的增殖，其增殖周期可分为五个阶段。
1 、吸附 (adsorption) 
噬菌体侵染寄主细胞的第一步为吸附。吸附过程一方面决定于细胞表面受点的结构，另一方面也取决于噬菌体吸附器官—尾部吸附点的结构。当噬菌体和敏感细胞混合时，发生碰撞接触，敏感的细菌细胞表面具有噬菌体吸附的特异性受点，噬菌体的吸附点与细菌的接受点可以互补结合，这是一种不可逆的特异性反应。一种细菌可以被多种噬菌体感染，这是因为宿主细胞表面对各种噬菌体有不同的吸附受点。现已证实，大肠杆菌细胞壁的脂蛋白层为 T 2 和 T 6 噬菌体的吸附受点，脂多糖层为 T 3 、 T 4 、 T 7 的吸附受点，而 T 5 噬菌体的吸附受点则为脂多糖—脂蛋白的复合物。吸附时，噬菌体尾部末端尾丝散开，固着于特异性的受点，随之尾刺和基板固定在受点上。不同的噬菌体粒子吸附于宿主细胞的部位也不一样，如大肠杆菌 T- 系噬菌体大多吸附于宿主细胞壁上 ( 图 3.6) ；大肠杆菌丝状噬菌体 M 13 只吸附在大肠杆菌性伞毛的末端；而枯草杆菌噬菌体 PBS2 则吸附在细菌鞭毛上。至于每个宿主究竟能被多少噬菌体吸附，据测定一般在 250~360 个即达到饱和状态，这称作最大吸附量。 
吸附过程也受环境因子的影响，如 pH 、温度、阳离子浓度等都会影响到吸附的速度。
2 、侵入 (penetration) 
侵入即注入核酸。大肠杆菌 ( E.coli )T 4 噬菌体以其尾部吸附到敏感菌表面后，将尾丝展开并固着于细胞上。尾部的酶水解细胞壁的肽聚糖，使细胞壁产生一小孔，然后尾鞘收缩，将头部的核酸通过中空的尾髓压入细胞内，而蛋白质外壳则留在细胞外。大肠杆菌 T- 系噬菌体只需几十秒钟就可以完成这个过程，但受环境条件的影响。通常一种细菌可以受到几种噬菌体的吸附，但细菌只允许一种噬菌体侵入，如有两种噬菌体吸附时，首先进入细菌细胞的噬菌体可以排斥或抑制第二者入内。即使侵入了，也不能增殖而逐渐消解。
尾鞘并非噬菌体侵入所必不可少的。有些噬菌体没有尾鞘，也不收缩，仍能将核酸注入细胞。但尾鞘的收缩可明显提高噬菌体核酸注入的速率。如 T 2 噬菌体的核酸注入速率就比 M 13 的快 100 倍左右。
3 、复制 (replication)
这个步骤主要指噬菌体 DNA 复制和蛋白质外壳的合成。噬菌体 DNA 进入宿主细胞后，立即以噬菌体 DNA 为模板，利用细菌原有的 RNA 合成酶来合成早期 mRNA ，由早期 mRNA 翻译成早期蛋白质。这些早期蛋白质主要是病毒复制所需要的酶及抑制细胞代谢的调节蛋白质。在这些酶的催化下，以亲代 DNA 为模板，半保留复制的方式，复制出子代的 DNA 。在 DNA 开始复制以后转录的 mRNA 称为晚期 mRNA ，再由晚期 mRNA 翻译成晚期蛋白质。这些晚期蛋白质主要组成噬菌体外壳的结构蛋白质，如头部蛋白质、尾部蛋白质等。在这时期，细胞内看不到噬菌体粒子，称为潜伏期 (latent period) 。潜伏期是指噬菌体吸附在宿主细胞至宿主细胞裂解，释放噬菌体的最短时间。
4 、装配 (assembly) 
当噬菌体的核酸、蛋白质分别合成后即装配成成熟的、有侵染力的噬菌体粒子。例如大肠杆菌 T 4 噬菌体的 DNA 、头部蛋白质亚单位、尾鞘、尾髓、基板、尾丝等部件合成后， D NA 收缩聚集，被头部外壳蛋白质包围，形成廿面体的噬菌体头部。尾部部件也装配起来，再与头部连接，最后装配完毕，成为新的子代噬菌体（图 3.8 ）。
5 、裂解 (lysis) 
成熟的噬菌体粒子，除 M 13 等少数噬菌体外，均借宿主细胞裂解而释放。细菌裂解导致一种肉眼可见的液体培养物由混浊变清或固体培养物出现噬菌斑。丝状噬菌体 fd 成熟后并 不破坏细胞壁，而是从宿主细胞中钻出来，细菌细胞仍可继续生长。大肠杆菌 T 系偶数噬菌体从吸附到粒子成熟释放大约需 15~30 分钟。释放出的新的子代噬菌体粒子在适宜条件下便能重复上述过程。

图 3.8 T 偶数噬菌体装配过程模式图

图 3.9 噬菌体 T 4 感染各时段的情况 ( 引自 Prescott et al., 2002)

三、噬菌体的一步生长曲线 
利用烈性噬菌体的生活周期，可以在实验室条件下获得噬菌体的生长曲线。这种用来测定噬菌体侵染和成熟病毒体释放的时间间隔，并用以估计每个被侵染的细胞释放出来的新的噬菌体粒子数量的生长曲线，称为一步生长曲线 (one-step growth curve) 。它可反映每种噬菌体的三个最重要的特性参数—潜伏期、裂解期和裂解量 (burst size) ，故十分重要。
将高浓度的敏感菌培养物与适量相应的噬菌体悬液相混，使得一个病毒体与 10~100 个细菌细胞相混合，这样的比例系数可降低几个噬菌体同时侵染单个细菌细胞的机率。经过短时间的培养使噬菌体吸附在细菌上，再用抗病毒血清或离心或稀释除去未吸附的噬菌体。接着，用新鲜培养液把经过上述处理的细菌悬液高倍稀释，以免发生第二次吸附和感染。培养后，定时取样，将含有噬菌体的样品与敏感细菌培养物混合培养，计算每个样品在培养基平板表面产生的噬菌斑数目。以培养时间为横坐标，噬菌斑数为纵坐标，可以绘出一步生长曲线。
如图 3.10 所示，噬菌体在吸附和侵入寄主后，细胞内只出现噬菌体的核酸和蛋白质， 还没有释放出噬菌体，这段时间称为隐晦期 (eclipse phase) 。隐晦期间如人为地 ( 用氯仿 ) 裂解细胞，裂解液无侵染性。人们将噬菌体吸附寄主细胞开始到细胞释放新的噬菌体为止的这段时间称为潜伏期 (latent period) 。潜伏期过后，噬菌斑数突然迅速上升，表明被感染的细菌已经越来越多地裂解，直至所有感染细胞都被裂解为止，这个时间称为上升期 (rise period) 。接着，噬菌斑数达到大致恒定，曲线平稳。这个时期即使存在一些未感染的细菌 ，由于细菌悬液的稀释倍数很高，使得新释放的噬菌体不能吸附未感染的细菌。每个感染细菌所释放的新噬菌体的平均数称为裂解量。

裂解量＝	裂解期平均噬菌斑数
潜伏期平均噬菌斑数。

图 3.10 噬菌体 T 2 的一步生长曲线 A. 表示一群噬菌体作用于一群细菌细胞的结果；
B. 表示单个噬菌体在一个细菌细胞内的增殖情况
四、温和性噬菌体的溶源性
温和性噬菌体侵染宿主细胞后，其 DNA 可以整合到宿主细胞的 DNA 上，并与宿主细胞染色体 DNA 同步复制，但不合成自己的蛋白质壳体，因此宿主细胞不裂解而能继续生长繁殖。大肠杆菌λ噬菌体就是属于温和性噬菌体。整合在宿主细胞染色体 DNA 上的温和噬菌体的基因称为原噬菌体 (prophage) 。个别噬菌体如大肠杆菌噬菌体 P 1 ，其温和噬菌体的核酸并不整合在细菌的 DNA 上，而随着在细胞质膜的某一位点上，呈质粒状态存在。人们把含有原噬菌体的细菌细胞称为溶源性细胞 (lysogenic cell) ，并把温和噬菌体侵入宿主细胞后所产生的这些特性称为溶源性。
温和性噬菌体与烈性噬菌体在遗传上不同。温和性噬菌体的基因组能整合到细菌染色体中，有一个与细菌染色体相附着的位点，并在其某种基因产物如整合酶的作用下，两者在此位点发生一次特异性重组。另外，温和性噬菌体有能编码合成一种称为阻遏体蛋白的基因 C 1 ，这种阻遏体能阻止噬菌体所有有关增殖基因的表达，从而使其不能进入营养状态。此外还另有一些基因调节、控制阻遏体的合成，以维持稳定的溶原状态。如果阻遏体的活性水平减低，不足以维持溶原状态，原噬菌体就可离开染色体进入增殖周期，并引起宿主细胞裂解，这种现象称为溶源性细菌的自发裂解，也就是说，极少数溶源性细菌中的温和噬菌体变成了烈性噬菌体。这种自发裂解的频率很低，例如大肠杆菌溶源性品系的自发裂解频率为 10 -2 ~10 -5 。
溶源细胞的诱发裂解 用某些适量理化因子，如紫外线或各种射线，化学药物中的诱变剂、致畸剂、致癌物或抗癌物、丝裂霉素 C 等处理溶源性细菌，都能诱发溶源细胞大量裂解，释放出噬菌体的粒子。
溶源细胞的免疫性 阻遏体蛋白除阻遏原噬菌体的基因组外，也同样能阻遏进入溶源菌的其他同型噬菌体的基因组，使其不能在该细胞内复制，因此溶源性菌对同型噬菌体呈现一种特异的免疫现象。例如，含有λ原噬菌体的溶源性细胞，对于λ噬菌体的毒性突变株有免疫性。即毒性突变株对非溶源性宿主细胞有毒性，对溶源性宿主细胞 ( 含λ噬菌体 DNA) 却没有毒性。
溶源性细菌的复愈 溶源性细菌有时消失了其中的原噬菌体，变成了非溶源细胞，这时既不发生自发裂解，也不发生诱发裂解，称为溶源细胞的复愈或非溶源化，这样的菌株称为复愈菌株 (curing strain) 。
溶源性转换 (Lysogenic conversion) 溶源性细菌除具有产生噬菌体的潜力和对相关噬菌 体的免疫性外，有时还同时伴有某些其他性状的改变，这种其他性状的改变称为溶源性转换。例如白喉棒状杆菌产生白喉毒素是因为原噬菌体带有毒素蛋白的结构基因；肉毒梭菌的毒素、金黄色葡萄球菌某些溶血素、激酶的产生都与溶源性有关；沙门氏菌、痢疾杆菌等抗原结构和血清型别也与溶源性有关。现在知道越来越多菌类的各种性状都受到溶源性的影响。这种现象很象肿瘤病毒能使正常细胞转化为肿瘤细胞的转化现象。噬菌体与宿主菌细胞之间的关系如图 3.11 所示。

图 3.11 噬菌体毒性感染和溶源性过程示意图