医学微生物学——噬菌体

《医学微生物学》人民卫生出版社 第9版 第三章 噬菌体是病毒中最为普遍和分布最广的群体，必须在活菌内寄生，具有严格的宿主特异性。

噬菌体

• 一、概述
  • 噬菌体（bacteriophage）
    • 定义
      • 是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒
    • 特点
      • 具有病毒的基本特性
        • 个体微小，可以通过细菌滤器
          • 光学显微镜下看不到，需要电子显微镜观察
        • 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组成
        • 专性细胞寄生
          • 具有严格的宿主特异性
      • 分布极广
        • 凡是有细菌的场所，就可能有相应噬菌体的存在
      • 某些噬菌体的基因组中含有异常碱基
        • 由于这些异常碱基不会出现在宿主菌基因组中，故可以作为噬菌体DNA的天然标记
    • 分2类（依据与宿主菌的相互关系）
      • 毒性噬菌体（virulent phage）
        • 溶菌性循环
          • 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌
      • 温和噬菌体（temperate phage）或溶原性噬菌体（lysogenic phage）
        • 溶原性循环
          • 噬菌体基因组整合在宿主菌染色体中（形成前噬菌体），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，并随着细菌的分裂而分配至子代细菌的基因组中
• 二、噬菌体的生物学性状
  • 形态与结构
    • 3种基本形态（大多数为蝌蚪型）
      • 蝌蚪形
        • 组成
          • 头部
            • 形态特点
              • 六边形立体对称，由蛋白质衣壳包绕核酸组成
          • 头部、尾部连接处
            • 存在尾领、尾须结构
              • 尾领
                • 与头部装配有关
          • 尾部
            • 形态特点
              • 为一管状结构
                • 2部分组成
                  • 一个中空的尾髓
                    • 可收缩，从而将头部的核酸注入宿主菌细胞内
                  • 外面包裹的尾鞘
            • 尾部末端
              • 组成
                • 尾板
                  • 可能含有裂解宿主菌细胞壁的溶菌酶
                • 尾丝
                  • 是噬菌体的吸附器官
                    • 能识别宿主菌体表面的特异性受体
                • 尾刺
        • 示意图
      • 微球型
      • 细杆型
  • 化学组成（主要）
    • 核酸
      • 是噬菌体的遗传物质（噬菌体基因组大小为2-200kb)
      • 类型
        • DNA或RNA
          • 借此分2类
            • DNA噬菌体
              • 大多数为线状双链
                • 有尾噬菌体的核酸均为线状双链DNA
                  • 无尾噬菌体的核酸为环状单链DNA或线状单链RNA
              • 某些微小DNA噬菌体的为环状单链
            • RNA噬菌体
              • 多数为线状单链
              • 少数为分节段的线状双链
    • 蛋白质
      • 相关结构
        • 构成头部衣壳和尾部等
      • 作用
        • 保护核酸
        • 决定噬菌体的外形和表面特征
  • 抗原性
    • 噬菌体具有抗原性，能够刺激机体产生特异性抗体
      • 该抗体抑制噬菌体侵袭宿主菌，但对于已吸附或进入宿主菌的噬菌体无效
  • 抵抗力
    • 对于理化因素的抵抗力比一般细菌繁殖体强
    • 对紫外线和X射线敏感
• 三、毒性噬菌体
  • 特点
    • 在宿主菌中以复制方式进行增殖
  • 增殖过程（复制周期或溶菌周期）
    • 与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胞外
    • 4阶段
      • 吸附
        • 本质
          • 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
        • 吸附方式
          • 细杆形噬菌体
            • 以其末端吸附
          • 蝌蚪形噬菌体
            • 以其尾丝、尾刺吸附
          • 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
              • 故这些噬菌体仅感染有性菌毛的F+菌
        • 特点
          • 只要细菌有特异性受体，无论死活，噬菌体均能吸附
            • 但噬菌体核酸不能进入已经死亡的宿主菌内
      • 穿入
        • 有尾噬菌体
          • 有尾噬菌体吸附后，借助其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
          • 可以通过脱壳的方式使核酸进入宿主菌内
      • 生物合成
        • 噬菌体核酸进入宿主菌后，生物合成两方面进行
          • 一方面
            • 转录生成mRNA
              • 再由此翻译为与噬菌体生物合成有关的酶、调节蛋白和结构蛋白等
          • 另一方面
            • 以噬菌体核酸为模板，大量复制子代噬菌体的核酸
      • 成熟与释放
        • 成熟
          • 子代噬菌体的蛋白质和核酸分别合成后，在宿主菌细胞质内按照一定程序装配成完整的成熟噬菌体
        • 释放
          • 当子代噬菌体达到一定数目后，裂解菌细胞释放出子代噬菌体
          • 特殊情况
            • 某些丝形噬菌体是以出芽方式逐个释放子代噬菌体
  • 溶菌现象
    • 表现
      • 液体培养基
        • 混浊菌液变澄清
      • 固体培养基
        • 培养基表面可出现透亮的溶菌空斑
          • 形成过程
            • 每个空斑是由一个噬菌体复制增殖并裂解宿主菌后形成的
              • 称之为噬斑（plaque）
                • 不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同
    • 应用
      • 通过噬斑计数，可以测知一定体积内的噬斑形成单位（plaque forming units，PFU）数目，即噬菌体的数量
• 五、噬菌体的应用
  • 细菌的鉴定和分型
    • 应用原理
      • 噬菌体裂解细菌有种的特异性
  • 检测标本中的未知细菌
  • 基因工程的工具
    • 噬菌体可以用作外源基因的载体
  • 用于细菌性感染的治疗
    • 前景不错
• 四、温和噬菌体（溶原性噬菌体）
  • 特点
    • 有溶原性周期和溶菌性周期
      • 2个周期
        • 溶原性周期
          • 温和噬菌体的基因组整合于宿主菌基因组中，前噬菌体随细菌染色体的复制而复制，并通过细菌的分裂传给下一代，不引起细菌裂解
            • 前噬菌体（prophage)
              • 定义
                • 这种整合在细菌染色体上的噬菌体基因
            • 这种带有前噬菌体的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium）
              • 溶原性细菌
                • 具有抵抗同种或有亲缘关系的噬菌体重复感染的能力
                  • 使宿主菌处于一种免疫状态
                    • 这种免疫性不同于细菌对噬菌体的抗性突变，而可以使噬菌体不能吸附于细菌表面的特异性受体
        • 溶菌性周期
          • 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
      • 相关概念
        • 溶原性（lysogeny)
          • 定义
            • 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
  • 3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
  • 溶原性转换（lysogenic conversion)
    • 定义
      • 某些前噬菌体可以导致细菌基因型和性状发生改变
    • 举例
      • 白喉棒状杆菌产生白喉毒素的机制
        • β-棒状杆菌噬菌体感染白喉棒状杆菌后，由于噬菌体DNA携带编码白喉毒素的基因，从而使得无毒的白喉棒状杆菌获得了产生白喉毒素的能力
      • 肉毒梭菌产生肉毒毒素
      • 金黄色葡萄球菌产生溶素
      • 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
    • 特点
      • 当溶原性细菌失去其前噬菌体时，其相关性状亦随之消失