寄生于细菌等微生物中的一类病毒。因最早发现于细菌,故称为噬菌体或细菌病毒。具有病毒的共同特征。种类繁多, 分布广泛, 土壤、水、空气、生物体内外都有存在。具有严格的宿主范围,不超过分类学确立的“属”的界限,例如感染小球菌的噬菌体不能在链球菌内增殖; 伤寒沙门氏菌的噬菌体不会在假单胞菌内增殖。
形态结构与化学组成 噬菌体的形态结构与化学组成大都与病毒相类似。
形态结构 噬菌体有六种不同形态。①蝌蚪形收缩性长尾噬菌体。由二十面体头和尾组成的复合形态。尾部中央为一中空的尾管或称尾髓, 外面缠有可收缩的尾鞘。尾末端连接一个六角形的尾板, 尾板的每个顶角有一短的尾针(刺突)和长的尾丝。头壳和尾鞘均由壳粒有规律地排列组成。②蝌蚪形非收缩性长尾噬菌体。由二十面体头和可弯曲的尾组成, 但不具可收缩的尾鞘。尾端有或无尾丝。③蝌蚪形非收缩性短尾噬菌体。具有头和尾, 但尾的长度小于头的直径, 通常无尾丝, 不会收缩。上述三种噬菌体都利用其尾端吸附于细菌细胞壁的特殊部位。④多角形大顶衣壳粒噬菌体。呈二十面体形, 其顶角(12个)的衣壳粒分子较其余部位的衣壳粒大,利用大壳粒吸附细菌细胞壁。⑤多角形小顶衣壳粒噬菌体。呈二十面体形, 其顶角的衣壳粒与其他衣壳粒大小相似, 利用一种特殊蛋白质(A蛋白或成熟蛋白)吸附于细菌纤毛上。⑥长丝形噬菌体。
化学组成 主要由核酸和蛋白质组成, 少数噬菌体含有一定量的多糖和脂质。蛋白质主要构成头壳和尾部及其附件, 核酸组成基因组。多数噬菌体含双链DNA。DNA中的碱基也为腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶四种, 但有些噬菌体,如T-偶数(T2、T4和T6)噬菌体的碱基, 则以羟甲基胞嘧啶(hydroxy-methylcytosine)代替了胞嘧啶。一种少见的PM2噬菌体(双链DNA)由一脂蛋白膜包围,含有两种酶, 即核酸内切酶和依赖DNA的RNA多聚酶。
增殖 根据噬菌体与宿主细胞的关系分为烈性噬菌体和温和噬菌体两类。烈性噬菌体进入菌体后, 则改变细胞的代谢, 使其成为制造噬菌体的“工厂”而大量产生新的噬菌体, 最后导致菌体裂解死亡。温和噬菌体进入菌体后, 因生长条件不同而具有两个截然不同的、可选择的生长途径: 一个是与烈性噬菌体相同的生长途径;另一个是将核酸整合到细菌染色体上,以前噬菌体形式变成细菌染色体上基因, 细菌细胞继续生长繁殖而被溶源化。
烈性噬菌体的增殖周期分为吸附、侵入、复制、装配和释放几个阶段。噬菌体以其特异的吸附部位 (尾端、多角形大顶衣壳粒噬菌体的大衣壳粒、小顶衣壳粒噬菌体的A蛋白等) 与宿主细胞的接受部位 (细胞壁、菌毛等特异受体部位)相吸附, 例如T-偶数噬菌体是以其尾部末端(尾丝和尾针)吸附于细菌表面的特异受体部位上, 由于尾丝折曲, 尾针和尾板固着于细菌细胞壁上, 尾部的水解酶溶解细胞壁产生小孔, 然后尾鞘收缩, 裸出的尾管穿过细胞壁,头部的DNA经尾管压入细菌细胞内, 蛋白质外壳留在细胞外, 有些“内部”蛋白与核酸一同注入。噬菌体DNA注入菌细胞后,即开始复制: 首先利用细菌原有的RNA聚合酶催化噬菌体基因开始早期转录合成mRNA,随即转译合成噬菌体早期基因编码的各种蛋白质 (主要是噬菌体特异的RNA聚合酶),然后在噬菌体特异的RNA聚合酶的作用下进行次早期转录,合成次早期mRNA及次早期蛋白(DNA聚合酶、DNA分解酶)。次早期蛋白主要功能是复制噬菌体DNA,其次是进一步更改RNA聚合酶, 使其更有效地进行后期转录, 合成噬菌体的结构蛋白以及与其装配等的有关酶类。当分别合成的噬菌体的DNA、头壳、尾鞘、尾管、尾板、尾丝等部件完成后,DNA收缩聚集, 被头壳蛋白包围, 形成二十面体对称的头; 尾部装配结束后, 再与头连接, 然后装上尾丝, 形成子代噬菌体, 借助最后合成的溶菌酶, 使细菌细胞裂解而释放出来。
至于RNA和单链DNA噬菌体, 各有其独特的复制过程。丝状噬菌体增殖的子代并不裂解宿主细胞,而是从细胞壁钻出来, 细菌细胞仍可继续生长。
溶源性 有一些噬菌体感染宿主细菌后,其DNA整合到细菌染色体中,不产生子代噬菌体,细菌继续生长繁殖。整合到染色体的噬菌体DNA称为前噬菌体,随着染色体的复制而传给后代细菌细胞。这种将噬菌体DNA整合到寄主DNA中而不破坏菌体,形成一种“和平共存”的现象,称为溶源性(lysogeny)。在细胞染色体上带有这种前噬菌体结构的菌株,称为溶源性菌,而引起溶源性的噬菌体称为温和噬菌体(tempe-ratephage)。溶源性的出现,除有噬菌体DNA和染色体的整合作用外,还包括阻遏作用的产生和建立。如果条件适宜溶源反应,次早期基因产物CⅡ、CⅢ蛋白便结合在一起形成复合物,促进合成阻遏体(repressor)蛋白的基因活化,产生阻遏体蛋白,它能阻止噬菌体所有有关增殖基因(或称溶菌基因)的表达,使噬菌体不能增殖。如果阻遏体蛋白的活性水平减低,不足以维持溶源状态,前噬菌体就可离开染色体进入增殖周期,在细菌内产生大量噬菌体。这种现象可自发产生,但频率很低。如果经过某些适量的理化因子处理,可导致前噬菌体活化,产生具有感染性的噬菌体粒子,该现象称为诱导。阻遏体蛋白除阻遏前噬菌体的基因组外,同样也能阻遏进入溶源性菌的其他同型噬菌体的基因组,使其不能在该菌细胞内复制,因此溶源性菌对同型噬菌体呈现一种特异的免疫现象。溶源性细菌有时还可获得一些新的生理性状,称为溶源性转换,例如白喉杆菌溶源化后获得产生白喉素的性状。溶源性菌染色体上的前噬菌体切离后,如果未进入营养状态(未增殖噬菌体),宿主菌继续生长繁殖,衍生的菌失去前噬菌体和溶源性现象,称为溶源性细菌的复愈或非溶源化,这种菌株被称为复愈(或治愈)菌株。
分离培养 以在肉汤和琼脂平板上生长的幼龄菌培养物上进行分离培养。在肉汤培养物,可使混浊的培养物变清;在琼脂平板上,则出现肉眼可见的透明区或噬菌斑。样品最好采自宿主聚集的地方,例如大肠埃希氏菌或其他肠道菌噬菌体,则易从污水或粪便中分离到。将样品(粪便稀释5~10倍)进行离心或过滤,并用氯仿进行杀菌,然后接种于含有敏感菌的肉汤和琼脂平板上培养,以培养物的透明和蚀斑予以判断。
分类 根据国际病毒分类委员会公布的资料,噬菌体分为10科,即芽生噬菌体科、复层噬菌体科、被脂噬菌体科、肌尾噬菌体科、长尾噬菌体科、短尾噬菌体科、微小噬菌体科、丝杆状噬菌体科、囊状噬菌体科和光滑噬菌体科。