第四章 噬菌体

第四章第四章 噬菌体噬菌体噬菌体(Bacteriophage/phage)噬菌体噬菌体：感染细菌、真菌、放线菌和螺旋：感染细菌、真菌、放线菌和螺旋体等微生物的病毒，只能在活的宿主菌内体等微生物的病毒，只能在活的宿主菌内复制增殖复制增殖噬菌体遗传物质可在其感染的宿主菌之间噬菌体遗传物质可在其感染的宿主菌之间和宿主菌与噬菌体间传递，且赋予宿主菌和宿主菌与噬菌体间传递，且赋予宿主菌某些性状某些性状具有病毒的特性具有病毒的特性 个体微小，可通过滤菌器个体微小，可通过滤菌器 无细胞结构无细胞结构 具有严格的细胞内寄生性具有严格的细胞内寄生性 分布广泛分布广泛 宿主特异性：流行病调查；分型宿主特异性：流行病调查；分型 参与细菌变异：转导参与细菌变异：转导,溶原性转换溶原性转换噬菌体的发现英国细菌学家Twort和法国细菌学家dHerelle分别从葡萄球菌(1915年)和痢疾志贺氏菌(1917年)的培养物中首先发现这类特殊的病毒因能使细菌裂解，故名噬菌体噬菌体的发现FrederickW.Twort(1877-1950)English bacteriologist,the original discoverer in 1915 of phage.托特1915年，Twort在培养葡萄球菌过程中，发现菌落上出现了透明斑，用接种针接触此透明斑后再接触另一菌落，结果后者也出现了相同的透明斑HealsoresearchedintoJohnesdisease,achronicintestinalinfectionofcattle.噬菌体的发现FelixDHerelle(1873-1949)aself-taughtFrench-Canadianbacteriologist.Hemadeoneofthemostsignificantbreakthroughsin20th-centurybiology,discoveringandnamingbacteriophages,thevirusesthatattackbacteria.德爱莱尔1917年dHerelle发现含有志贺痢疾杆菌的新鲜液体培养物能被某种无菌的污水滤液所溶解，并使混浊的液体培养物变清，将此种澄清液再过滤加到另一敏感菌株的新鲜培养物中，得到相同的结果。dHerelle将这种能使菌落形成透明斑以及使混浊液体培养物变清的溶菌因子称为噬菌体。形态、结构：基本形态有：蝌蚪形、微球形和细杆形。基本形态有：蝌蚪形、微球形和细杆形。大多数为蝌蚪形，由头部和尾部组成化学组成：由蛋白质和核酸组成抗原性：蛋白质部分具有抗原性抵抗力：对理化因素的抵抗力比一般细菌繁殖体强分类：毒性噬菌体、温和噬菌体不同形状和大小的噬菌体不同形状和大小的噬菌体Tail fibersT4噬菌体结构模式图噬菌体的电镜照片（其中一个尾鞘发生收缩）大肠杆菌噬菌体T4的电镜照片Photo of T4 bacteriophage Bacterial virus attached to a bacteriumBacterial virus attached to a bacteriumAscanningelectronmicrographofT-evenbacteriophagesinfectingE.coli.Bacteriophage binding to and injecting their DNA into a bacterial cellT4 Phage infects the E.coliflashflash噬菌体(Bacteriophages)噬菌体感染细菌有两个结果：噬菌体感染细菌有两个结果：噬菌体在宿主菌内增殖后使宿主菌裂解，释放噬菌体在宿主菌内增殖后使宿主菌裂解，释放的噬菌体再感染其他敏感细胞。建立的噬菌体再感染其他敏感细胞。建立溶菌性周溶菌性周期期。毒性噬菌体噬菌体感染细菌后不增殖，其核酸整合到细菌噬菌体感染细菌后不增殖，其核酸整合到细菌染色体上，随细菌染色体的复制而复制，并随染色体上，随细菌染色体的复制而复制，并随细菌分裂而分配至子代细菌的染色体中，建立细菌分裂而分配至子代细菌的染色体中，建立溶原性周期溶原性周期。温和噬菌体毒性噬菌体毒性噬菌体（virulent phagevirulent phage）能在宿主细菌体内复制增殖，产生子代噬菌体，并最终裂解细菌增殖过程为吸附穿入生物合成成熟和释放吸附吸附吸附是噬菌体与菌体表面受体发生特异性结合的过程，其特异性取决于噬菌体蛋白与宿主菌表面受体分子结构的互补性。毒性噬菌体的复制周期毒性噬菌体的复制周期溶菌性周期溶菌性周期溶菌性周期(Gif)flash1flash1Scanning electron micrograph(SEM)of Escherichia coli cells with phage particles(which appear as small white dots)attached to the outside of cells.SEM of E.coli cells with disrupted cell envelopes,presumably due to phage release.After the phage replicate within host cells,they must be released from the host cells.This often occurs by lysing the cell 在液体培养基中，噬菌现象可使浑浊菌液变得澄清。在液体培养基中，噬菌现象可使浑浊菌液变得澄清。在固体培养基上，若用适量的噬菌体和宿主菌液混合后接种培在固体培养基上，若用适量的噬菌体和宿主菌液混合后接种培养，培养基表面可有透亮的溶菌空斑出现。一个空斑系由一个养，培养基表面可有透亮的溶菌空斑出现。一个空斑系由一个噬菌体复制增殖并裂解细菌后形成，称为噬菌体复制增殖并裂解细菌后形成，称为噬斑(plaque),不同噬不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同。菌体噬斑的形态与大小不尽相同。噬噬斑斑荧光假单胞菌Phage PlaquesPlaquesproducedonalawnofE.colibysomeoftheTcoliphages.Notethelargedifferencesinplaqueappearance.若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测定一若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测定一定体积内的定体积内的噬斑形成单位(plaqueformingunits,pfu)数目，数目，即噬菌体的数目。即噬菌体的数目。温和噬菌体温和噬菌体（temperate phage temperate phage）感染细菌后，基因组与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，而是其基因组随细菌基因组复制，并随细菌的分裂而传至子代细菌内前噬菌体（prophage）整合在细菌基因组中的噬菌体基因组溶原性细菌（lysogenicbacterium）带有前噬菌体的细菌Life cycle of a lytic phage 溶原状态自发或诱导因素导致前噬菌体脱离宿主菌染色体(Gif)溶原性周期及前噬菌体脱离后的溶菌性周期(Gif)flash2flash2温和噬菌体将本身的基因转给宿主菌的传递方温和噬菌体将本身的基因转给宿主菌的传递方式式-溶原性转换溶原性转换(lysogenic conversion)：另有肉毒梭菌产生肉毒毒素，化脓性链球菌产生红疹毒素；沙门菌、志贺另有肉毒梭菌产生肉毒毒素，化脓性链球菌产生红疹毒素；沙门菌、志贺菌等的抗原结构和血清型改变亦受温和噬菌体控制。菌等的抗原结构和血清型改变亦受温和噬菌体控制。以噬菌体为传递工具将供体菌基因传递给受体以噬菌体为传递工具将供体菌基因传递给受体菌的过程菌的过程-转导转导(transduction)白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌溶原性细菌溶原性细菌溶原性细菌溶原性细菌产生白喉毒素产生白喉毒素产生白喉毒素产生白喉毒素噬菌体与细菌的相互关系噬菌体(Bacteriophages)毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage)：能裂解细菌的噬：能裂解细菌的噬菌体。只有一个溶菌性周期。菌体。只有一个溶菌性周期。前噬菌体前噬菌体(prophage)溶原性细菌溶原性细菌(lysogenic bacterium)：染色体上：染色体上带有前噬菌体的细菌。带有前噬菌体的细菌。溶原状态溶原状态：随着溶原性细菌的分裂而将噬菌体：随着溶原性细菌的分裂而将噬菌体基因传代的状态。基因传代的状态。溶原性噬菌体溶原性噬菌体(lysogenic phage)或或温和噬菌体温和噬菌体(temperate phage)：形成溶原状态的噬菌体。：形成溶原状态的噬菌体。可有溶原性周期和溶菌周期。可有溶原性周期和溶菌周期。目前噬菌体对人类的危害主要表现在发酵工业目前噬菌体对人类的危害主要表现在发酵工业上。在发酵食品、抗生素药物、微生物农药和上。在发酵食品、抗生素药物、微生物农药和发酵有机溶剂等发酵产品生产中噬菌体可污染发酵有机溶剂等发酵产品生产中噬菌体可污染生产菌种，造成菌体裂解，无法累积发酵产物，生产菌种，造成菌体裂解，无法累积发酵产物，影响产品的产量、质量，甚至停产，造成严重影响产品的产量、质量，甚至停产，造成严重损失。损失。目前对已污染的噬菌体的发酵菌液尚无法阻止目前对已污染的噬菌体的发酵菌液尚无法阻止其溶菌作用，但可预防。由于噬菌体对寄主专其溶菌作用，但可预防。由于噬菌体对寄主专一性较强，一种噬菌体通常只感染一种细菌的一性较强，一种噬菌体通常只感染一种细菌的个别品系，可通过换种或筛选抗噬菌体突变株个别品系，可通过换种或筛选抗噬菌体突变株的方法防止噬菌体的危害，同时发酵工业用菌的方法防止噬菌体的危害，同时发酵工业用菌株要避免使用溶源菌。株要避免使用溶源菌。噬菌体是发酵工业的大敌噬菌体是发酵工业的大敌噬菌体的应用 细菌的分型与鉴定细菌的分型与鉴定 细菌感染的诊断与治疗细菌感染的诊断与治疗 分子生物学研究的工具分子生物学研究的工具用于细菌鉴定和分型：噬菌体的宿主范围十分严格，一般都不超噬菌体的宿主范围十分严格，一般都不超过细菌过细菌“属属”的界限，具有高度的种、型特的界限，具有高度的种、型特异性，即一种噬菌体只能裂解和它相应的异性，即一种噬菌体只能裂解和它相应的该种细菌的某一型，因此可用于细菌的鉴该种细菌的某一型，因此可用于细菌的鉴定和分型，在流行病学可追查传染源。定和分型，在流行病学可追查传染源。利用噬菌体可将金黄色葡萄球菌分为利用噬菌体可将金黄色葡萄球菌分为132型，伤寒沙门菌型，伤寒沙门菌Vi噬菌体可将有噬菌体可将有Vi抗原的抗原的伤寒沙门菌分为伤寒沙门菌分为96个噬菌体型个噬菌体型 Tbilisi:Phage-treateddiabeticfootsavedfromamputationnoremainingpurulence!噬菌体的应用是常规化学治疗及抗生素治疗之外非常有效的辅助治疗手段。但由于噬菌体与细菌的种型特异性很严格，故应用价值不是很大生物学研究的实验工具：由于噬菌体结构简单、基因数较少、取材和培养方便、由于噬菌体结构简单、基因数较少、取材和培养方便、增殖迅速，噬菌体已成为分子生物学研究的重要工具。增殖迅速，噬菌体已成为分子生物学研究的重要工具。三个核苷酸决定一个氨基酸的三联密码这一重要发现就三个核苷酸决定一个氨基酸的三联密码这一重要发现就是通过研究噬菌体基因与蛋白质的关系后得到的。是通过研究噬菌体基因与蛋白质的关系后得到的。在遗传工程研究中，可利用温和噬菌体作为载体将目的在遗传工程研究中，可利用温和噬菌体作为载体将目的基因带入宿主细胞中去，细菌在增殖过程中可表达目的基因带入宿主细胞中去，细菌在增殖过程中可表达目的基因产物。基因产物。近年在基因工程抗体研究方面，也利用噬菌体表达的产近年在基因工程抗体研究方面，也利用噬菌体表达的产物存在于噬菌体表面这一特性，通过多轮的抗原吸附物存在于噬菌体表面这一特性，通过多轮的抗原吸附-洗脱洗脱-扩增而大大简化筛选过程，并且噬菌体表达的抗扩增而大大简化筛选过程，并且噬菌体表达的抗体具有产量高、活性强、特异性好等优点，已将噬菌体体具有产量高、活性强、特异性好等优点，已将噬菌体用于基因工程抗体库的建立。用于基因工程抗体库的建立。思考题名词：噬菌体、毒性噬菌体、温和噬菌体、前噬菌体、溶原性细菌噬菌体的特性噬菌体的溶菌过程