細菌病毒

細菌病毒（bacterial virus）是以細菌為宿主的病毒。又稱噬菌體（Phage），由F·W·特沃特於1915年和F· H·德埃雷爾於1917年分別發現。

噬菌體一名是由後者確定的，Phage意為細菌的噬食者。這類病毒與動物或植物病毒具有共同的基本特性。分為10科，其中肌病毒科，如T2、T4噬菌體等；長尾病毒科，如λ、T5噬菌體等；短尾病毒科，如T7、P22噬菌體等。

基本介紹

• 中文名：細菌病毒
• 外文名：bacterial virus
• 別稱：噬菌體（Phage）
• 發現人：F·W·特沃特、F· H·德埃雷爾
• 發現時間：1915年
• 意義：促進了病毒學、分子生物學等發展

物種分類

概述

細菌病毒的種類很多，但始終沒有可以普遍套用的分類標準來確定細菌病毒的科、屬界限和命名規則。1976年國際病毒分類委員會發表“病毒的分類與命名”第二次報告，才將細菌病毒分為8科，1979年的第三次報告和1982年第四次報告改分為10科，各科名稱和特點如下

肌病毒科

具有正多面體或長的頭和尾以及可收縮尾鞘的複合形態的細菌病毒，核酸為線型雙鏈DNA（dsDNA）。T2、T4噬菌體（參見彩圖插頁第7頁）為代表種。

長尾病毒科

具有正多面體的頭和長尾，但無可收縮的尾鞘，核酸為線型dsDNA，λ、T5噬菌體為代表種。

細菌病毒

短尾病毒科

具有正多面體的頭和長約20納米的短尾，核酸為線型 dsDNA，T7、P22噬菌體為代表種。

被脂病毒科

毒粒直徑約60納米的正二十面體，多角頂有刷狀刺突，無尾，衣殼分內外兩層，兩層之間為脂質，核酸為環型 dsDNA，PM2噬菌體為代表種。

覆蓋病毒科

直徑約65納米的正二十面體，各角頂有一長20納米的刺突，衣殼有內外二層，內層含脂質，在其射出核酸時出現一長約60納米類似尾的結構，核酸為線型 dsDNA，PRD1噬菌體為代表種。

微病毒科

直徑約 27納米的正二十面體，各角頂有類似結節狀的刺突，核酸為環型單鏈 DNA（ssDNA），ΦX174噬菌體為代表種。

絲狀病毒科

長絲或短桿狀，核酸為環型 ssDNA，fd噬菌體為長絲狀代表種，MVL51噬菌體為短桿狀代表種。

光滑病毒科

直徑約23納米的正二十面體，核酸為線型正鏈的ssRNA，只感染雄株細菌，MS2噬菌體為代表種。

以上8科的病毒粒外面都不具包膜，以下兩科則均有包膜。

原質病毒科

病毒粒直徑50～120納米，呈多形性的球形，有柔韌的包膜而沒有衣殼，核酸為環型dsDNA，MV-L2噬菌體為代表種。

囊病毒科

病毒粒為正多面體，直徑約75納米，外為柔韌的含脂質的包膜，內為直徑約60納米的衣殼，核酸為分成 3個片段的線型 dsRNA，Φ6噬菌體為代表種。

肌病毒科、長尾病毒科和短尾病毒科是目前最常見的細菌病毒，其中T系大腸桿菌噬菌體是最廣泛研究的烈性噬菌體的代表，λ大腸桿菌噬菌體是溫和性噬菌體中研究得最深入的代表，對它們的研究為分子生物學的發展提供了最重要的資料。MS2和同科的 R17、 Qβ、 f2等，ΦX174和同科的S13、G4、ΦR等，以及fd和同科的f1、M13等大腸桿菌噬菌體分別為研究ssRNA、ssDNA噬菌體最為深入的代表。其他各科細菌病毒均較少見。各科細菌病毒的形態與核酸類型。

形態特徵

在顯微鏡下，可發現大多數細菌病毒與動植物病毒不同，它們具有頭和尾結構的複合形態。按照尾部，又可分為長、短和具有能收縮的尾鞘3種類型。另外，有兩類小二十面體型細菌病毒沒有尾，一類在12個角頂上各有1個結節，外觀呈桑葚狀，一類沒有這種結構。少數細菌病毒為760 ×6～1950×6納米的長絲或等軸的多面體，各角頂有刺突或刷狀刺突。

細菌病毒

複合形態的細菌病毒頭部為1個立體對稱的多面體，一般直徑 50～60納米，有的達 130納米以上。這類細菌病毒的結構比較複雜，如收縮尾鞘類的長尾大腸桿菌T偶數噬菌體，它具有約110×80納米的多面體的頭和約113 ×16納米的管狀的尾，頭尾相接連的部位有頸部結構，並有1個頸圈和6根頸項。尾部中心為中空的尾軸，外面包以可收縮的尾鞘。尾末端連線1個六角形的尾板，尾板的每個頂均附有1根與尾軸略呈平行的短的尾針，另外還附有6根長的中間可折曲的尾絲。頭殼和尾鞘均由一定數目的殼粒有規律地順序排列，構成細菌病毒顆粒的一定的幾何形體。頭殼對包在其中的核酸起保護作用。尾部為感染時的呼吸器官。

化學組成

細菌病毒主要由核酸和蛋白質組成，少數細菌病毒含有少量的非核酸糖或類脂質。蛋白質主要構成細菌病毒外殼或複合形態的頭殼、尾部及其附屬檔案。蛋白質部分具有抗原性。因此，把它注射到動物體內，可產生特異性抗體，其中的中和抗體能阻止細菌病毒吸附於細菌外壁，從而阻止感染的發生，但又不使細菌病毒失活。可以根據抗原特異性區分不同的細菌病毒。

核酸組成細菌病毒的基因組。細菌病毒只含一種核酸，或為DNA，或為RNA，或為雙鏈或為單鏈，或為線型或為環型。大多數細菌病毒含dsDNA。細菌病毒的DNA與其他生物相同，是由核苷酸聚合而成的。大多數細菌病毒DNA與一般DNA相同，含4個鹼基——腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C），並遵守華生-克里克的A=T、G≡C的鹼基配對原則。但有些細菌病毒含有與正常鹼基不同的異常鹼基，如T偶數噬菌體或其他一些細菌病毒，以羥甲基胞嘧啶代替胞嘧啶，還有的細菌病毒以羥甲基尿嘧啶或尿嘧啶代替胸腺嘧啶，或以甲基胞嘧啶代替胞嘧啶。這種不同鹼基的功能還不了解，但由於有這3個自然標記，給研究細菌病毒DNA在細菌細胞內複製的工作，帶來了許多方便。有的細菌病毒的羥甲基胞嘧啶的羥甲基還連線葡萄糖殘基。

感染增殖

細菌病毒可以結構和功能均不相同的3種狀態存在：①細菌細胞外成熟的感染性或自由噬菌體；②細菌細胞內的營養型或生長型噬菌體；③整合到細菌細胞染色體上形成的前噬菌體。自由細菌病毒遇到敏感的宿主細菌後，在適宜條件下即發生感染，細菌病毒首先吸附於細菌，有尾細菌病毒以其尾絲附著於細菌表面一定的受點部位，由於尾絲折曲，尾針和尾板固著於細菌上，隨後，細菌病毒尾鞘收縮，裸露出的尾軸穿入細菌外壁，DNA經由尾軸注入細菌內，而將蛋白質的外殼留在細菌外。雄株特異的細菌病毒則吸附於細菌的鞭毛上，核酸可能經此注入。

細菌病毒DNA注入細菌後，即進入營養狀態，進行增殖。例如T偶數噬菌體感染後，大腸桿菌本身立即中止DNA和蛋白質的合成，而接受細菌病毒的基因信息，併合成細菌病毒所需的產物。感染後1分鐘內即合成細菌病毒的一些mRNA（信使核糖核酸）分子，隨即合成細菌病毒早期基因編碼的各種蛋白，其中大部分與細菌病毒DNA及其前體的合成有關。幾分鐘後，早期基因的轉錄變慢，晚期基因開始表達，合成基因編碼病毒的結構蛋白及與裝配等有關的非結構蛋白。感染後約6分鐘，病毒DNA的複製開始。再過幾分鐘，複製的DNA分子庫和結構蛋白已經積累，並開始病毒粒結構的裝配。把DNA包裝入頭殼內，就形成完整的頭部，與此同時，尾和尾絲的結構也分別產生。這時，已經形成的完整的頭部與尾部連線，尾絲則連線到尾板上，於是就產生了一個感染性噬菌體顆粒。這種顆粒在感染後 12分鐘左右即可看到，並繼續積蓄25～30分鐘。這個周期終結時，合成一種溶菌酶，使細菌裂解，而將成熟的細菌病毒釋放。整個過程約需30分鐘。

至於RNA和ssDNA的細菌病毒，各有其獨特的複製過程，線狀噬菌體增殖的子代可不裂解宿主細菌而游離出來。

噬菌體DNA注入宿主細菌後，即進入營養狀態，完成細菌病毒的增殖周期，這類細菌病毒稱為烈性噬菌體。還有一類細菌病毒，在感染細菌後也可不選擇上述增殖的途徑，而以其DNA整合到細菌染色體中，成為前噬菌體狀態。這時也不能用任何方法在細菌內檢出細菌病毒顆粒的存在，細菌繼續生存並進行分裂繁殖，前噬菌體則隨著細菌染色體複製而傳遞給它的後代。如此衍生的菌株的每個細菌染色體都帶有這種前噬菌體結構，稱為溶原性菌，這類細菌病毒則稱為溫和性噬菌體。因此，溫和性噬菌體感染後可出現兩種反應，即裂解性反應和溶原性反應。溫和性噬菌體形成的噬斑總是長有一薄層菌而呈半透明狀，這是由於在被感染的細菌中，總有一部分被裂解，另一部分被溶原化，而溶原化的細菌會存活下來並繼續生長。溫和性噬菌體種類極多，同一菌株也可由多種不同的噬菌體溶原化。溫和性噬菌體與烈性噬菌體在遺傳上是不同的，溫和性噬菌體具有能編碼合成一種稱為阻遏體蛋白的基因，這種阻遏體蛋白能阻止細菌病毒所有有關增殖基因的表達，使其不能進入上述的營養狀態；前噬菌體在細菌的染色體上不能增殖，細菌也不發生裂解，而成為溶原性細菌。另外還有一些基因調節控制阻遏性的合成，以維持穩定的溶原狀態。如果阻遏體活性的水平降低到不足以維持溶原狀態的程度，前噬菌體又可離開染色體進入增殖周期，這個細菌又可產生細菌病毒。這種現象在溶原菌培養物中是以較低的頻率自發產生的，如果加以人工誘導，可使大多數溶原細菌產生細菌病毒而裂解。起誘導作用的有紫外線和多種射線以及致突變、致畸、致癌或抗癌的化學藥物。阻遏體蛋白除阻遏前噬菌體的基因組外，同樣能阻遏進入溶原性菌的其他同型細菌病毒的基因組，使其不能在該菌內增殖。因此，溶原性菌對同型細菌病毒呈現一種特異的免疫現象。

溶原性菌除具有產生細菌病毒的潛力和對相關細菌病毒的免疫性之外，有時還伴有其他性狀的改變。稱為溶原性轉換。現在知道很多菌類的不同性狀受到溶原性的影響。例如，白喉桿菌產生毒素是由於其前噬菌體帶有毒素蛋白的結構基因；金黃色葡萄球菌某些溶血素的產生與溶原性有關；沙門氏桿菌、痢疾桿菌等抗原結構也與溶原性有關。

由溶原性細菌染色體上切離的前噬菌體，如果在細胞內未能進入營養狀態，從而本身未能增殖，宿主細菌仍繼續生存和繁殖，這樣衍生的菌株就失去了前噬菌體和溶原性，稱為復療菌株。因溶原化而改變的某些性狀也會隨著溶原性復療而恢復。

轉導

當溶原性菌中的前噬菌體因某種已知（如誘導）或未知（自發的）原因離開宿主染色體並進行增殖時，有少數細菌病毒基因組將鄰近宿主的基因帶下（而噬菌體DNA的另一端則失去一個片段），當其感染另一菌株時，可將宿主基因導入並發生重組而表現出這個基因的性狀的現象。

研究意義

研究工具

細菌病毒因其所具有的特性而成為探討核酸（DNA和RNA）的複製、轉錄、重組，基因表達的調節控制，病毒與宿主的關係等各方面的研究對象，促進了病毒學、分子生物學、遺傳學的發展。作為基因的載體，在基因工程的研究中也成為有用的工具。細菌病毒依靠特異性的裂解作用，可極其精細地將致病菌分為不同型，這對細菌性疾病流行病學的傳染源追蹤是極為有用的。在臨床醫學中，曾試用細菌病毒診治某些細菌性感染的疾病。可利用對溶性菌的誘導現象進行抗腫瘤藥物的篩選和致癌物質的檢查。細菌病毒的污染可能給發酵工業（如食品工業、抗生素工業等）造成很大損失，因此，防治這種污染也是一項重要的工作。

治療疾病

一些細菌性病毒例如綠膿桿菌噬菌體，可以治療相關疾病。燒傷病人容易感染綠膿桿菌，引起化膿性感染，不容易控制，科學家利用綠膿桿菌噬菌體卻可以有效治療燒傷病人的化膿性感。因為綠膿桿菌噬菌體是細菌性病毒，在綠膿桿菌的體內生活繁殖，使綠膿桿菌無法生活。