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1、 ：综述肌尾噬菌体科 类噬菌体的研究进展【摘要】噬菌体是一种能够裂解并杀死细菌的病毒，目前其作为鉴定细菌工具、应用于细菌分型及研发新型抗菌生物制剂等已成为研究热点。在肌尾噬菌体科中的 类噬菌体属是现代遗传学和分子生物学的主要模型系统，对 类噬菌体进行深入研究更具重要意义。本文从 类噬菌体的分类，形态特征，与宿主的作用模式，以及从其应用及生物学意义方面进行综述，以期对 类噬菌体有更深入了解。【关键词】类噬菌体；命名；与宿主相互作用；应用；综述【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）；（）：，（，；，；）【】，【】；噬菌体广泛存在于大自然界中，是能够感染真细菌、古生菌的寄生病毒。它最早在 年和
2、 年分别由英国的 和法国的 独立发现。在此之后，人们运用不断更新的科学检测技术手段，在充满细菌群落的地方（如土壤、水生栖息地、动物肠道等）发现新的噬菌体；同时由于其对细菌具有很强的特异性作用和很强的增值能力，噬菌体已经成功地应用于各个方面（如人、家畜、水产养殖动物及农作物等）的细菌感染防治，其中对肌尾噬菌体科的研究已成为国际研究的热点之一。肌尾噬菌体科宿主菌为细菌和古细菌，整个病毒体构造包括头部和尾部，头部裸露无外套膜，为二十面体，直径约 ，并能透过尾部复合体与尾部相连接，尾部末端有六条短棘和六条长鞭。肌尾噬菌体科的遗传物质为单分子的线状双股 ，的比例在总遗传物质中占。目前，研究得较详细较透彻
3、并成为模式噬菌体的是 偶数噬菌体，偶数噬菌体属于 族噬菌体。族噬菌体是浸染大肠埃希菌菌株的噬菌体，为英文 的字母开头，按照其发现的先后顺序依次编号为、等，其中偶数型（、）的结构化学组成与奇数型（、）不同，所以又分为偶数噬菌体和奇数噬菌体。偶数噬菌体为烈性噬菌体，它们的 分子有许多相同的部分，而 奇数噬菌体为温和噬菌体，它们之间的相似性较少。在 偶数噬菌体中还存在一种裂解抑制的特殊现象，如果在宿主细菌周围有许多噬菌体存在，这些噬菌体更多的攻击已感染的细菌细胞，那么其他细菌的裂解作用会被推迟。研究最多及最热门的是 偶数噬菌体的典型代表 类噬菌体，人们曾从健康人粪样中主要分离得到型长尾噬菌体，从腹泻
4、病人粪样中则得到 类肌尾噬菌体（含能收缩尾巴的噬菌体），哺乳动物的肠道是 类噬菌体的天然栖息地。类噬菌体有一个较长多面体头部，长且可收缩的尾部，形态和基因组大小接近 噬菌体。根据 国际病毒分类委员会第中 国 病 原 生 物 学 杂 志 年月第 卷第期 ，【基金项目】国家自然科学基金项目（）；云南省中 青 年 学 术 和 技 术 带 头 人 后 备 人 才 培 养 项 目（）；云南 省 医 学 学 科 带 头 人培 养对 象 项 目（）。【通讯作者】宋志忠，：【作者简介】叶玲玲（），女，广东韶关人，硕士研究生，主要从事鼠疫病原学及噬菌体相关研究；：次报告 的噬菌体的分类与命名中得知，肠杆菌 噬菌
5、体是 类噬菌体属的代表种，从属于肌尾病毒科，双股 群。本文对 类噬菌体做简要综述，为 类噬菌体的基础研究提供更多帮助。分类与命名目前对所发现的所有噬菌体的大致分类有以下：（）根据形态学分类，分三种：蝌蚪状、丝杆状、球状。（）根据生活周期分类分为两类：烈性噬菌体和溶原性噬菌体。（）根据遗传物质分类分为四群：群双股 病毒（）、群单股 病毒（）、群双股 病毒（）、群 单股正链 病毒（）。噬菌体典型代表为 噬菌体，基因组为 ，属于有尾噬菌体目、肌尾噬菌体科。类噬菌体的形态和基因组大小均接近 噬菌体。噬菌体最早是 年科学家从一些噬菌体混合培养物中分离出，并在 年月 日向 提交了全基因序列，号 为 。年
6、等 及 年 等 都分别对 噬菌体的基因组特征，转录翻译过程及蛋白修饰特点与应用等方面作了进一步研究。国内的王光华等 和青岛农业大学的颜晨等 分别对 噬菌体的 多样性进行了研究和从鸡粪中分离到了 噬菌体 并于 年月日向 提交了噬菌体 的全基因序列，号为 。年赵俊杰等 对大肠埃希菌噬菌体 生化特性及全基因组学进行了研究。由此看来，近些年的这些研究更多的是集中在 噬菌体的基因展示层面上的。随着分子生物学和微生物遗传学的发展，根据基因序列的比对，把 类分为四个亚群：亚群、亚群、亚群和 亚群。其中大部分的这些噬菌体具有一个较长多面体头部，长且可收缩的尾部，少部分的 类噬菌体有更细长的头部和更大的基因组。
7、尽管有这些差异，但几乎所有的 类噬菌体在遗传进化上都有亲缘关系，衣壳蛋白基因（）、尾巴鞘基因（）和 噬菌体的尾管基因均有较高同源序列。然而随后有研究又发现 类噬菌体种类很多，超出了这几个亚群的分类。例如，在 年至 年，俄罗斯科学院西伯利亚研究所的 等 通过运用高通量测序技术，对从贝加尔湖中分离出来的 类噬菌体 基因测序发现，在肌病毒科家族中的 类噬菌体中存在着高度的基因多样性，与其他生态系统中的噬菌体家族也有很大的基因差异性。随着 和蛋白质同源性和系统发育，新的噬菌体属从 年的 个发展到 年的 个。因此，对于噬菌体的分类和命名，近年来出现了一系列新的分类工具，例 如：、和 ，使我们能够快速的对
8、病毒进行分类，效率高于目前由国际病毒分类委员会（）讨论的序列分类法，也能使我们快速确定来自元基因组学研究的噬菌体和其全基因组的分类学位置。形态结构 类噬菌体中典型代表为 噬菌体，以它为例介绍其形态结构。噬菌体基因组全长 ，其中 用于合成与装配扁长的二十面体的头部、可伸缩的尾部及识别细菌的根尾丝，如图。病毒粒子由一系列模块化组件组成，包括一个大的加长头部（），一个尾结构（）和一个复杂的底板，包含了尾巴的触发机制，以及条长尾纤维，它们专门与宿主细菌表面的受体结合。整个病毒粒子大约由 种蛋白组成，其中有 个蛋白参与头部的形成，个蛋白参与尾部的形成，个蛋白参与尾丝的形成，个尾丝链接物。其中，主要衣壳蛋
9、白质的多样性又与 超级家族的进化、多样性紧密相关。在噬菌体形成过程中，头部、尾部、尾丝均独立装配。头部和尾部相连，然后根尾丝结合到尾板上。噬菌体头部长 ，宽 ，个蛋白参与头部的形成，前头部形成的 个相关基因中只有 个是必需的，其中包括由宿主编码的 蛋白。尾部由个尾板及个细长的圆筒即尾管组成，尾部及尾丝负责 噬菌体的高效感染。有新的研究发现，在 类噬菌体的基因组中存在着对内酰胺类药物具有耐药性的 基因，这对深入研究噬菌体参与抗菌素耐药性转移机制具有十分重要意义。图 噬菌体的结构组成 与宿主的作用当类噬菌体感染敏感细菌（如大肠埃希菌等）后，大约只要 就能使细菌裂解，该类噬菌体称为烈性噬菌体或毒性噬
10、菌体。尽管它们的溶菌周期存在着一定的差异，但溶菌过程大体一致。分为以下四个步骤。吸附特异性受体这种吸附作用是高度特异性的，由尾板提供能量，噬菌体和细菌表面受体相互作用完成，这种相互作用是噬菌体成功侵入细菌的关键。噬菌体的根长尾丝中至少会有根吸附在细菌表面成分上，紧接着促发六角形结构的基板变为星形基板，展开六根短尾针，然后短尾丝就会牢固吸附在细菌表面膜受体上。同时随着尾板的变构，尾鞘会收缩从而推动 尾 管 穿 过 细 菌 细 胞 外 膜，当 噬 菌 体 尾 部 的 溶 菌 酶（）活化后，细菌的表面膜受体肽聚糖会被消化帮助其到达细菌内膜。噬菌体感染导致的膜变化尚不清楚，其中涉及一些 免疫基因的产物
11、及、及 等基因，但它们的确切功能还不清楚。噬菌体尾丝末端的基板结合于宿主表面特异性受体，与细菌发生连接。主要有两种不同类型的受体，一种是细菌的表面成分，如脂多糖，肽聚糖，磷壁酸，外膜蛋白，寡糖，荚膜，型菌毛，鞭毛，性菌毛等；另一种是细菌在与噬菌体接触前，会被噬菌体合成的多糖裂解酶、水解酶等特殊酶降解的细菌表面多糖。注入细菌表面的肽聚糖被降解后，胞壁上形成小孔，噬菌体外壳留在外面，其 就穿孔而入，在这个过程中，中 国 病 原 生 物 学 杂 志 年月第 卷第期 ，细菌内膜的电化学电势对防止侵入的 在胞质中被降解是必需的。生物合成在噬菌体 指导作用下，会阻断宿主菌的生物合成并利用其新陈代谢系统合成
12、噬菌体的核酸和蛋白质。组装和释放当通过上一步骤合成了所需的核酸和蛋白质后，又会利用细菌胞质中的物质进行组装成成熟的噬菌体。随着子代噬菌体数目的增多，通过一定的裂解机制细菌会被裂解，成熟的子代噬菌体被释放出来可以感染新的敏感特异性细菌，开始新的溶菌周期。与烈性噬菌体不同的是，温和噬菌体在吸附细菌后，不立即产生子代噬菌体裂解宿主细菌，而是把基因整合到宿主细菌染色体中并随之一起复制遗传给下一代细菌，直至发生最终裂解。对 类噬菌体的嗜菌谱目前研究多集中在单独几株菌株的噬菌特性上，如孙荣华等 利用噬菌斑法从环境污水中分离鉴定出株大肠埃希菌噬菌体，然后用负染法电镜观察其形态大小，再提取噬菌体基因组并进行酶
13、切电泳分析，发现株大肠埃希菌噬菌体中有株具有较广的嗜菌谱，为噬菌体作为生物制剂用于临床抗感染治疗奠定了一定基础。一般来说，类噬菌体感染远缘宿主细菌在系统上，更容易接近感染近缘宿主细菌，噬菌体可感染大肠埃希菌和与其关系紧密的志贺菌，但尚还缺乏对 噬菌体嗜菌谱的系统概括。也有研究发现 噬菌体宿主范围主要由长尾丝的末梢位点决定的，例如 的末端区域就是高度变异的，通过 的末端区域变异可发现宿主范围的改变。所以通过操纵 类噬菌体的基因组，或许能改变噬菌体的宿主范围，从而发现其宿主特异性上的重大改变，目前这方面还需要深入研究。值得一提的是，有报道提出，毒性噬菌体 ，据电镜照片显示其属于肌尾病毒科（有细长头
14、部和可收缩的尾部），与 类噬菌体有高度的同源性，也有研究者提出噬菌体 就是一株 类噬菌体。有趣的是，噬菌体 对 （禽致病性大肠埃希菌不仅可感染禽类也可感染包括人在内的哺乳动物，是人兽共患病的潜在病原体）组织感染具有潜在抗菌作用，突出了其宿主范围相对广泛的独特分子特征。噬菌体的宿主谱决定区域位于 的末端，所以该区域也可能为噬菌体 宿主谱决定区域，这为后期 噬菌体改造、临床治疗等提供了重要材料和依据。在 噬菌体中也存在着裂解抑制的现象。等 发现，当噬菌体中的穿孔素被 噬菌体的基因取代后，再去感染已经携带 颗粒基因的大肠埃希菌时，细胞裂解抑制现象就发生了。在噬菌体与宿主相互作用较新的研究中，等 通过
15、对食源性细菌空肠弯曲杆菌对 类噬菌体感染的转录分析中发现，一些基因产物（如对氧化应激防御基因过氧化氢酶（）、烷基羟基过氧化物酶（）、超氧化物歧化酶（，）、与外排泵基因 和 ）的诱变会改变噬菌体对细菌宿主的感染性。应用及生物学意义目前的研究看来，噬菌体在许多领域上都有巨大作用的潜力。其一是鉴于噬菌体的高度宿主特异性寄生，可以利用噬菌体扩增和实时 复合技术快速检测细菌。其二，可以作为分子生物学的研究工具，噬菌体在噬菌体抗体库技术方面有广泛的应用。其三，在免疫多价疫苗研制方面，有研 究发现，噬菌体可以参与免疫递送过程从而应用于对抗传染病，噬菌体 具有高度的免疫原性，不需要佐剂，对细菌和病毒病原体具有
16、完全的保护作用。另外，在医疗治疗领域方面应用，也叫噬菌体疗法。由于抗生素的滥用，越来越多的耐药性菌株产生，在 的 个独特的尾噬菌体中，大约有 个是其中的成员 亚科，与 和数百个其他这类噬菌体共享最基本的基因，还有数百个这样的基因被分离出来，其中许多都是被用于医疗治疗目的，也获得了许多的研究成果。对 类噬菌体中的新成员 的基因组所表现出的分裂和重组中发现，与噬菌体 、和 相比，有广泛的宿主范围，强大的细菌细胞杀灭活性和高的 稳定性，使其成为一种潜在的控制鸡致病性大肠埃希菌耐药性抗菌药物。对于噬菌体的治疗作用，在细菌感染上有着巨大潜力，在肿瘤治疗上也有一些新的发现。噬菌体能够诱导 型巨噬细胞向 型
17、再极化，并增强巨噬细胞诱导肿瘤细胞凋亡和抑制肿瘤细胞侵袭的能力。在噬菌体研究方面已经取得了一些突破性进展，但在大规模应用过程中仍不成熟，存在着以下一些问题。如何快速测定噬菌体的吸附速率对噬菌体应用（如治疗）上至关重要。细胞溶解酶是蛋白质存在着不稳定性，它们也不能穿透外膜，对革兰氏阴性菌也没有影响，所以，如何通过生物工程来增加细胞溶解酶的稳定性、活性和宿主范围又是一大急需解决的问题。噬菌体治疗既是一个医学问题，也是一个生物工程问题。最新研究发现，噬菌体 在健康鼠血清中对铜绿假单胞菌 具有一定的杀灭作用，但噬菌体的吸附作用可被血清中不耐热物质完全阻断而使得噬菌体 对由 引起的小鼠的感染治疗无效。噬
18、菌体本质上是病毒，很多人会担心噬菌体有可能在未发挥治疗作用前就被机体免疫系统或其他物质清除或使其失活，从而导致需多次重复给药或治疗效果不佳，这也是噬菌体疗法还未被广泛应用原因之一。展望虽然我们对噬菌体的研究存在着各种问题，但当前高速发展的分子生物学和现代遗传学技术为 类噬菌体研究提供了更大的研究和发展空间。各国也纷纷重视噬菌体的研究特别是噬菌体治疗上的研究，加强相互交流和合作，争取在对 类噬菌体分类和命名上更完善，对其基因组学上有更多新的探究，对其与宿主的相互作用上不断拓宽宿主谱，详尽了解感染机制，生物学意义及应用上特别是噬菌体疗法上有更深入的研究。有研究者就提出，针对噬菌体的高度特异性和较窄
19、的宿主谱，可以把几种噬菌体制成噬菌体混合制剂即鸡尾酒疗法，可以治疗混合感染的细菌性疾病，具有极好的临床应用前景。通过各方不断努力，争取使噬菌体这种替代抗生素疗法能早日应用到临床上，控制疾病发生，这也是未来噬菌体研究的重要方向之一。【参考文献】，中 国 病 原 生 物 学 杂 志 年月第 卷第期 ，（）：，（）：，（）：？，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：周艳，包红朵，张辉，等一株宽宿主谱裂解性大肠埃希菌噬菌体的进化分析中国动物传染病学报，（）：，：（），（）：徐军田宽宿主谱大肠埃希菌 噬菌体的分离、基因组学分析及临床应用研究南京农业大学，冯烨，刘军，孙洋，等噬菌体最新分类与命名中
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