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噬菌體[shì jūn tǐ]

侵襲細(xì)菌的病毒

本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目 審核 。

噬菌體（phage）是侵襲細(xì)菌的病毒，也是賦予宿主菌生物學(xué)性狀的遺傳物質(zhì)。噬菌體必須在活菌內(nèi)寄生，有嚴(yán)格的宿主特異性，其取決于噬菌體吸附器官和受體菌表面受體的分子結(jié)構(gòu)和互補(bǔ)性。噬菌體是病毒中最為普遍和分布最廣的群體。通常在一些充滿細(xì)菌群落的地方，如：泥土、動物的腸道里，都可以找到噬菌體。

中文名

噬菌體

外文名

Phage

別    名

細(xì)菌病毒

學(xué)    科

分子生物學(xué)

發(fā)現(xiàn)者

F．d′Herelle和F．W．Twort

目錄

1介紹
2生物學(xué)性狀
3種類
?蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
?核酸特點
?繁殖特點
4發(fā)現(xiàn)歷史
5細(xì)菌防御方法
6應(yīng)用

介紹

噬菌體（bacteriophage, phage）是感染細(xì)菌、真菌、藻類 、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱，因部分能引起宿主菌的裂解，故稱為噬菌體。二十世紀(jì)初在葡萄球菌和志賀菌中首先發(fā)現(xiàn) ^[3]。作為病毒的一種，噬菌體具有病毒的一些特性，個體微小；不具有完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)；只含有單一核酸。可視為一種“捕食”細(xì)菌的生物。噬菌體基因組含有許多個基因，但所有已知的噬菌體都是細(xì)菌細(xì)胞中，利用細(xì)菌的核糖體、蛋白質(zhì)合成時所需的各種因子、各種氨基酸和能量產(chǎn)生系統(tǒng)來實現(xiàn)其自身的生長和增殖。一旦離開了宿主細(xì)胞，噬菌體既不能生長，也不能復(fù)制 。

噬菌體是病毒的一種，其特別之處是專以細(xì)菌為宿主，較為人知的噬菌體是以大腸桿菌為寄主的T2噬菌體。跟別的病毒一樣，噬菌體只是一團(tuán)由蛋白質(zhì)外殼包裹的遺傳物質(zhì)，大部分噬菌體還長有“尾巴”，用來將遺傳物質(zhì)注入宿主體內(nèi)。噬菌體是一種普遍存在的生物體，而且經(jīng)常都伴隨著細(xì)菌。通常在一些充滿細(xì)菌群落的地方，如泥土、動物的內(nèi)臟里，都可以找到噬菌體的蹤影。世上蘊(yùn)含最豐富噬菌體的地方就是海水 。

生物學(xué)性狀

噬菌體的體積小，其形態(tài)有蝌蚪形、微球形和細(xì)桿形，以蝌蚪形多見。噬菌體是由核酸和蛋白質(zhì)構(gòu)成。蛋白質(zhì)起著保護(hù)核酸的作用，并決定噬菌體的外形和表面特征。其核酸只有一種類型，即DNA或RNA，雙鏈或單鏈，環(huán)狀或線狀。

種類

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

無尾部結(jié)構(gòu)的二十面體：這種噬菌體為一個二十面體，外表由規(guī)律排列的蛋白亞單位——衣殼組成，核酸則被包裹在內(nèi)部。

有尾部結(jié)構(gòu)的二十面體：這種噬菌體除了一個二十面體的頭部外，還有由一個中空的針狀結(jié)構(gòu)及外鞘組成的尾部，以及尾絲和尾針組成的基部。

線狀體：這種噬菌體呈線狀，沒有明顯的頭部結(jié)構(gòu)，而是由殼粒組成的盤旋狀結(jié)構(gòu)。

迄今已知的噬菌體大多數(shù)是有尾部結(jié)構(gòu)的二十面體，這是因為正多面體是多面體里最簡單的結(jié)構(gòu)，搭建起來最容易，所以病毒喜歡采用正多面體的結(jié)構(gòu)。而正多面體一共又只有五種，分別是正4, 6, 8, 12, 20面體，其中正20面體是最接近球形的，也就是在體積相同的情況下，需要更少的材料，更為節(jié)省。

1.毒性噬菌體

噬菌體侵染細(xì)菌(2張)

指在宿主菌體內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解細(xì)菌。毒性噬菌體的增殖方式是復(fù)制，其增殖過程經(jīng)歷吸附穿入、生物合成和成熟釋放3個階段。

進(jìn)入菌細(xì)胞內(nèi)的噬菌體核酸首先經(jīng)早期轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生早期蛋白質(zhì)，并復(fù)制子代核酸，再進(jìn)行晚期轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生噬菌體的結(jié)構(gòu)蛋白。子代噬菌體達(dá)到一定數(shù)量時，由于噬菌體合成酶類的溶解，菌細(xì)胞突然裂解，釋放出的噬菌體再感染其他敏感細(xì)菌。

2.溫和噬菌體

感染宿主菌后并不增殖。其基因整合于細(xì)菌染色體上，即前噬菌體，隨細(xì)菌染色體的復(fù)制而復(fù)制，并隨細(xì)菌分裂而分配至子代細(xì)菌的染色體中。溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性周期，可偶爾自發(fā)地或在某些理化或生物因素地影響下，整合的前噬菌體脫離宿主菌染色體，進(jìn)入溶菌性周期導(dǎo)致細(xì)菌裂解，并產(chǎn)生新的成熟噬菌體。

發(fā)現(xiàn)歷史

初期：1915年-1940年

1915年，弗德里克· 特沃特（Frederick W.Twort）擔(dān)任倫敦布朗研究所所長。特沃特在研究中力圖尋找用于天花疫苗的痘苗病毒（vaccina virus）的變異株（variant），這種變異株可能在活細(xì)胞外介質(zhì)中復(fù)制。他在一項試驗中將一部分天花疫苗接種給一個含營養(yǎng)瓊脂的培養(yǎng)盤。雖然這種病毒未能復(fù)制，但是細(xì)菌污染物在瓊脂盤中生長很快。特沃特繼續(xù)進(jìn)行他的培養(yǎng)并注意到，一些細(xì)菌菌落顯示出“帶水的樣子”（即變得比較透明）。這樣的菌落做進(jìn)一步培養(yǎng)時也不再能復(fù)制（即細(xì)菌被殺死）。特沃特把這種現(xiàn)象稱為透明轉(zhuǎn)化（glassy transformation）。他接著證明用透明轉(zhuǎn)化原理感染一個正常的細(xì)菌菌落會把這種細(xì)菌殺死。這種透明實體很容易通過一個陶瓷過濾器，可被稀釋一百萬倍，當(dāng)放在新鮮細(xì)菌上的時候就會恢復(fù)它的實力，或者說滴度。

特沃特發(fā)表了一篇描述這種現(xiàn)象的短文，認(rèn)為對他所觀察的結(jié)果的解釋是存在一種細(xì)菌病毒。由于服役于第一次世界大戰(zhàn)，特沃特的研究中斷了。返回倫敦后，他沒有繼續(xù)進(jìn)行這項研究因此在這個領(lǐng)域沒有作出進(jìn)一步的貢獻(xiàn)。

與此同時，加拿大醫(yī)學(xué)細(xì)菌學(xué)家費利克斯· 德赫雷爾（Felix d’Herelle）當(dāng)時正在巴黎的巴斯德研究所工作。1915年8 月，法國的一個騎兵中隊駐扎在巴黎郊外的梅宗-勒菲特（Maisons-Lafitte），一場嚴(yán)重的志賀氏桿菌引發(fā)的痢疾對整個部隊造成了毀滅性的打擊。德赫雷爾對患者的糞便進(jìn)行過濾，很快從過濾的乳狀液中分離出痢疾桿菌，并且加以培養(yǎng)。細(xì)菌不斷生長，復(fù)蓋了培養(yǎng)皿的表面。德赫雷爾偶然觀察到清楚的圓點，上面沒有長出任何細(xì)菌。他把這些東西稱為乳樣斑（taches vierges）,或稱為噬斑（plaques）。德赫雷爾跟蹤觀察一名患者的整個感染過程，觀察何時細(xì)菌最多，斑點何時出現(xiàn)。有意思的是，患者的病情在感染后的第四天開始好轉(zhuǎn)。

德赫雷爾把這些病毒（virus）稱為噬菌體（bateriophage），緊接著他發(fā)明了病毒學(xué)研究領(lǐng)域的方法。他將噬斑進(jìn)行有限的稀釋，測定病毒的濃度。他的推論是出現(xiàn)斑點表明病毒為顆?；蚍Q為小體（corpuscular）。德赫雷爾在研究中還證明病毒感染的第一步是病原體附著（吸附）宿主細(xì)胞。他通過把病毒與宿主細(xì)胞混合后共沉淀證明了這一點。（他還證明，上清中不存在這種病毒）一種病毒的附著只是在細(xì)菌對與它混合的病毒敏感時才出現(xiàn)，這表明了一種病毒對宿主細(xì)胞的吸附有特定的范圍。他還用很清楚的現(xiàn)代術(shù)語描述了細(xì)胞溶菌（lysis）的釋放。德赫雷爾在許多方面是現(xiàn)代病毒學(xué)原理的創(chuàng)始人之一。

到1921 年，越來越多的溶原性菌株（lysogenic bacterial strain） 被分離，在一些實驗中已經(jīng)不可能把病毒與它的宿主分開。這使布魯塞爾巴斯德研究所的朱勒斯· 博爾德特（Jules Bordet）認(rèn)為，德赫雷爾描述的傳染性病原體只不過是一種促進(jìn)自身繁殖的細(xì)菌酶（bacterial enzyme）。雖然這是一種錯誤的結(jié)論，但是它相當(dāng)接近于朊病毒（prion）結(jié)構(gòu)和復(fù)制的看法。

在20 世紀(jì)20-30 年代，德赫雷爾重點探索他的研究成果在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，但是毫無成果。當(dāng)時進(jìn)行的基礎(chǔ)研究常常受該領(lǐng)域個別科學(xué)家的強(qiáng)烈個性所產(chǎn)生的解釋的影響。顯然有許多不同的噬菌體，一些為溶菌性（lytic）而另一些則是溶原性（lysogenic），但是它們之間的相互關(guān)系仍然定義不明確。這個時期的重要發(fā)現(xiàn)是馬克斯· 施萊辛格,他證明純化的噬菌體最大直徑（linear dimension）0.1 微米，質(zhì)量大約4x10克，它們由蛋白質(zhì)和DNA 構(gòu)成，比例大體上相等。1936 年那時沒有任何人清楚地知道如何利用這種觀察結(jié)果，但是，它在隨后的20 年里產(chǎn)生了重大影響。

現(xiàn)代：1938 年-1970 年

馬克斯· 德爾布呂克（Max Delbruck）是吉廷根大學(xué)（Gittinge）培養(yǎng)出來的物理學(xué)家。他的第一份工作是在柏林威廉化學(xué)研究所，在那里他與一些研究人員積極地討論量子物理與遺傳學(xué)的關(guān)系。德爾布呂克對這個領(lǐng)域的興趣使他發(fā)明了一種基因的量子機(jī)械模型（guantum mechanical model of gene）。1937 年，他申請并獲得了在加利福尼亞理工學(xué)院學(xué)習(xí)的獎學(xué)金。一到加利福尼亞理工學(xué)院他就開始與另一位研究員埃默里· 埃利斯（Emory Ellis）合作。埃利斯當(dāng)時正在研究一組噬菌體-T2 、T4 、T6（T-偶數(shù)噬菌體）。德爾布呂克很快認(rèn)識到這些病毒適合研究病毒復(fù)制。這些噬菌體是探索遺傳信息如何決定一種生物體的結(jié)構(gòu)和功能的一個途徑。從一開始，這些病毒就被視為了解癌癥病毒，甚至了解精子如何使卵子受精并發(fā)育為一種新生物體的典型系統(tǒng)。埃利克和德爾布呂克設(shè)計出一步生長曲線試驗。在這項試驗中，一種受感染的細(xì)菌經(jīng)過半個小時的潛伏期（latent period）或稱為隱蔽期（eclipse period）之后釋放了大量噬菌體。這項試驗給潛伏期下了定義，即病毒失去傳染性的時候。這成為這個噬菌體研究小組的試驗范例。

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，德爾布呂克留在美國（在范德比爾特大學(xué)），見到了意大利難民薩爾瓦多·盧里亞（Salvador E . Luria）。盧里亞逃到美國避難，當(dāng)時在紐約州哥倫比亞大學(xué)研究T1和T2噬菌體。他們是1940 年12 月28 日在費城舉行的一次會議上見面的，并在隨后的兩天里策劃在哥倫比亞大學(xué)的試驗。兩位科學(xué)家將招聘和領(lǐng)導(dǎo)越來越多的研究人員重點研究利用細(xì)菌病毒作為了解生命進(jìn)程的一個模型。對他們的成功起關(guān)鍵作用的是1941 年夏天他們應(yīng)邀到冷泉港實驗室做試驗。就這樣一位德國物理學(xué)家和一位意大利遺傳學(xué)家在二戰(zhàn)期間一直進(jìn)行合作，周游美國招聘新一代的生物學(xué)家，后來這些人被稱為噬菌體研究小組。

此后不久，新澤西州普林斯頓RCA 實驗室的電子顯微學(xué)家湯姆· 安德森（Tom Anderson）見到了德爾布呂克。到1942 年3 月，他們第一次獲得了噬菌體的清晰照片。大約同時，這些噬菌體變異株第一次被分離和鑒定。到1946 年，冷泉港實驗室開設(shè)了第一門噬菌體課程，1947 年3 月，第一次噬菌體會議有8 人出席。分子生物學(xué)就是從這些緩慢的開端中發(fā)展起來的。這門科學(xué)的重點是研究細(xì)菌宿主及其病毒。

隨后的25 年（1950 年至1975 年）是用噬菌體進(jìn)行病毒學(xué)研究碩果累累的時期。數(shù)百名病毒學(xué)家發(fā)表了數(shù)千篇論文，主要涉及三個領(lǐng)域：（a）用T-偶數(shù)噬菌體進(jìn)行的大腸桿菌溶菌性感染研究；（b）利用λ噬菌體進(jìn)行的溶原性研究，以及（c）幾種獨特噬菌體的復(fù)制和特性研究，例如ФX174 （單鏈環(huán)狀DNA）、RNA 噬菌體、T7 等。它們?yōu)楝F(xiàn)代分子病毒學(xué)和生物學(xué)奠定了基礎(chǔ)。本文不可能一一介紹所有這些科學(xué)文獻(xiàn)，只能提及一些有選擇的重點。

到1947年至1948年，用生物化學(xué)方法研究噬菌體感染細(xì)胞在潛伏期發(fā)生的變化開始盛行。西摩·科恩（Seymour Cohen）最初曾在哥倫比亞大學(xué)與歐文· 查格夫（Erwin Chargaff）一道研究脂質(zhì)和核酸，隨后又與溫德爾· 斯坦利研究煙草花葉病毒RNA ,1946年在冷泉港實驗室主修德爾布呂克的噬菌體課程。他利用比色法（colorimetric analisis）研究被噬菌體感染的細(xì)胞中DNA 和RNA 水平的影響。

這些研究表明，被噬菌體感染的細(xì)胞中大分子合成發(fā)生了戲劇性的改變：（a）RNA 的凈積累在這些細(xì)胞中停止。[后來，這成為發(fā)現(xiàn)多種RNA 的基礎(chǔ)，并且第一次證明了信使RNA 的存在]。（b）DNA 合成停止了7 分鐘，隨后又以5 倍至10 倍的速度恢復(fù)DNA 合成。（c）與此同時，蒙諾德（Monod）和沃爾曼（Wollman）的研究表明，噬菌體感染后一種細(xì)胞酶——可誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶（galactosidase）的合成受到抑制。這些試驗把病毒的潛伏期分為初期（在DNA 合成之前）和晚期兩個階段。更重要的是這些研究結(jié)果表明，病毒可能改變受感染細(xì)胞的大分子合成過程。

到1952 年底，兩項試驗對這個領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響。

首先，赫爾希和蔡斯利用標(biāo)記病毒蛋白（SO）和核酸（PO）跟蹤噬菌體對細(xì)菌的附著。他們能用攪拌機(jī)去除病毒的蛋白質(zhì)衣殼，只保留與受感染細(xì)胞有聯(lián)系的DNA 。這使他們能夠證明這種DNA 具有再生大量新病毒所需的全部信息。赫爾希-蔡斯的試驗和沃森與克里克一年后闡述的新DNA 結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了分子生物學(xué)革命的奠基石。

病毒學(xué)領(lǐng)域的第二項試驗是1953年由懷亞特（G.R.Wyatt）和科恩（S.S.Cohen）進(jìn)行的。他們在研究T-偶數(shù)噬菌體時發(fā)現(xiàn)一個新的堿基，即5'羥甲基胞嘧啶（hydroxymethylcytosine）。這個新發(fā)現(xiàn)的堿基似乎取代了細(xì)菌DNA 中的胞嘧啶（cytosine）。這使科學(xué)家們開始對細(xì)菌和受噬菌體感染的細(xì)胞中DNA 的合成進(jìn)行了長達(dá)10 年的研究。最關(guān)鍵的研究表明，病毒把遺傳信息引入受感染的細(xì)胞中。到1964 年，馬修斯（Mathews）等人的研究證明，未受感染的細(xì)胞中不存在5'羥甲基胞嘧啶，并且必須由病毒為之編碼。這些試驗提出了脫氧嘧啶（deoxypyrimidine）生物合成和DNA 復(fù)制方面的早期酶學(xué)概念，提供的明確的生物化學(xué)證據(jù)表明可以編碼一種新的信息并在受感染的細(xì)胞中表達(dá)。對這些噬菌體的詳細(xì)遺傳分析后確認(rèn)了編碼這些噬菌體蛋白質(zhì)的基因，并繪制了基因圖使概念更完整。實際上，對T-偶數(shù)噬菌體的rⅡ 和B 順反子（cistron）的遺傳分析成為研究最充分的“遺傳精細(xì)結(jié)構(gòu)”之一。利用噬菌體變異株和提取物體外復(fù)制病毒DNA ，對我們當(dāng)代了解DNA 如何自我復(fù)制作出了重要貢獻(xiàn)。最后，通過對噬菌體裝配的詳細(xì)遺傳學(xué)分析，利用噬菌體突變株體外裝配的互補(bǔ)性闡明了有機(jī)體如何利用自我裝配的原理構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)。對噬菌體溶菌酶的遺傳和生物化學(xué)分析有助于闡述突變的分子性質(zhì)，噬菌體突變（琥珀突變）提供了在分子水平研究第二位點抑制突變（second-site suppressor mutation）的明確方式 。DNA的環(huán)形排列、末尾冗余（引起噬菌體雜合體）結(jié)構(gòu)可以解釋T 偶數(shù)噬菌體的環(huán)形遺傳圖。

病毒和細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成在受噬菌體感染的細(xì)胞中發(fā)生明顯變化，這一點是在早期研究中使用十二烷基硫酸鈉一聚丙烯酰胺凝膠（sodium dodecyl sulfate (SDS)-polyacrylamide gels）而被戲劇性地發(fā)現(xiàn)，結(jié)果表明病毒蛋白質(zhì)的合成有特定順序，分為早期蛋白質(zhì)和晚期蛋白質(zhì)。這種一過性的基本調(diào)節(jié)機(jī)制最終發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)RNA 聚合酶和授予基因特殊性的∑因子。幾乎每一個級別的基因調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)錄、RNA 穩(wěn)定性、蛋白合成、蛋白處理）的研究均是通過對噬菌體感染性研究得出的原始數(shù)據(jù)揭示的。

雖然溶菌噬菌體（lytic phage）研究取得如此顯著的進(jìn)展，但是仍然沒有人能清楚地解釋溶源性噬菌體（lysogenic phage）。這種局面在1949年發(fā)生了變化，當(dāng)時，巴斯德研究所的安德烈· 勒沃夫（Andre Lwoff） 開始對Bacillus megaterium 及其溶源性噬菌體進(jìn)行研究。通過使用一種顯微操縱器將單一細(xì)菌分割多達(dá)19 次，從未釋放出任何病毒。當(dāng)從外部對溶源性細(xì)菌進(jìn)行溶解時，也沒有發(fā)現(xiàn)病毒。但是經(jīng)常出現(xiàn)一個細(xì)菌自發(fā)地發(fā)生溶解并釋放出許多病毒來的現(xiàn)象。紫外線能誘使這些病毒釋放是一項重要的發(fā)現(xiàn)，這種觀察可以概述一種病毒與其宿主之間的奇妙關(guān)系。到1954 年，巴斯德研究所的雅各布（Jacob）和沃爾曼（Wollman）得出重要的研究結(jié)果，即一種溶源性菌株（Hfr ，λ）與非溶源性受體在結(jié)合之后的遺傳雜交（genetic cross）導(dǎo)致病毒的誘發(fā)。他們把這個過程稱為合子誘導(dǎo)（zygotic induction）。事實上溶源性噬菌體或稱原噬菌體（prophage）在其宿主大腸桿菌的染色體中的位置，可在遺傳雜交之后用標(biāo)準(zhǔn)的中斷交尾實驗繪圖。這是在概念上了解溶源性病毒的最關(guān)鍵試驗之一，理由如下：（a）病毒的行為就像一種細(xì)菌的染色體上的細(xì)菌基因一樣；（b）它表明病毒遺傳物質(zhì)由于負(fù)面的調(diào)節(jié)而在病毒中保持靜止的試驗結(jié)果之一。當(dāng)染色體從溶源性供體細(xì)菌傳遞到非溶源性受體宿主時，該病毒遺傳物質(zhì)丟失；（c）這有助于解釋雅各布和沃爾曼早在1954 年就認(rèn)識到的酶合成以及噬菌體生成的誘導(dǎo)是同一現(xiàn)象的表現(xiàn)”。這些試驗為操縱子模型（operon model）和協(xié)同基因調(diào)控（coordinate gene regulation）的性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

雖然在1953 年闡述了DNA 的結(jié)構(gòu) , 1954 年描述了合子誘導(dǎo)，但是溶源現(xiàn)象中細(xì)菌染色體與病毒染色體之間的關(guān)系仍被稱為附著部位（attachment site），當(dāng)時也只能從這些角度考慮。后來，坎貝爾（Campbell）根據(jù)噬菌體標(biāo)記的順序在整合狀態(tài)下不同于復(fù)制或生長狀態(tài)這一事實，提出DNA 與細(xì)菌染色體進(jìn)行λ整合的模型，至此，病毒與其宿主之間的真正密切關(guān)系才得到認(rèn)識。這導(dǎo)致分離出λ噬菌體的負(fù)調(diào)節(jié)基因或稱抑制基因，這是對溶原菌免疫特性的清楚了解，也是對基因如何進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)的早期范例之一。對λ噬菌體生命周期的遺傳分析是微生物遺傳學(xué)領(lǐng)域的重大學(xué)術(shù)探險。它值得所有分子病毒學(xué)和生物學(xué)學(xué)者進(jìn)行詳細(xì)的研究。

諸如鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）P22 這樣的溶源性噬菌體是一般性轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）的第一個例證，而λ噬菌體是特殊轉(zhuǎn)導(dǎo)的第一個例證。病毒可能攜帶細(xì)胞基因，并把這樣的基因從一個細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個細(xì)胞，這不僅提供了精確遺傳繪圖的一種方法，而且也是病毒學(xué)中的一個新概念。隨著細(xì)菌的遺傳因素被更詳細(xì)地研究，可以清楚地看出，從溶源性噬菌體研究發(fā)展到附加體（episome）、轉(zhuǎn)座子（transposon）、反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（retrotranspon）、插入元件（insertion element）、逆轉(zhuǎn)錄病毒（retrovirus）、嗜肝DNA 病毒（hepadnovirus）、類病毒（viroid）、擬病毒（virusoid ，又稱類病毒viroid-like指一類包裹在植物病毒顆粒中的病毒，譯者注），以及朊病毒（prion）研究，這一切使得遺傳信息在病毒與其宿主之間的定義和分類的關(guān)系開始變得模糊不清。從噬菌體研究中得出的遺傳和生化概念使病毒學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展成為可能。溶菌和溶源性噬菌體研究的經(jīng)驗和教訓(xùn)常常隨著對動物病毒的研究而被人們重新學(xué)習(xí)和修改。

細(xì)菌防御方法

細(xì)菌防御噬菌體的主要方法是合成能夠降解外來DNA的酶。這些酶被稱為限制性內(nèi)切酶，它們能夠剪切噬菌體注入細(xì)菌細(xì)胞的病毒DNA。細(xì)菌還含有另一個防御系統(tǒng)，這一系統(tǒng)利用CRISPR序列來保留其過去曾經(jīng)遇到過的病毒的基因組片段，從而使得它們能夠通過RNA干擾的方式來阻斷病毒的復(fù)制。這種遺傳系統(tǒng)為細(xì)菌提供了一個類似于獲得性免疫的機(jī)制來對抗病毒感染。

應(yīng)用

作為分子生物學(xué)研究的試驗工具

噬菌體是遺傳調(diào)控、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯等方面的生物學(xué)基礎(chǔ)研究和基因工程中的重要材料或工具。遺傳學(xué)中的轉(zhuǎn)導(dǎo)作用就是以噬菌體作為媒介，在2株細(xì)菌間傳遞遺傳物質(zhì)。

用于細(xì)菌的鑒定和分型

噬菌體只能侵染相應(yīng)的細(xì)菌，具有高度的特異性，可用于細(xì)菌鑒定。同時，噬菌體具有型的特異性，可對細(xì)菌進(jìn)行分型鑒定?？梢岳檬删w對沙門氏菌、大腸桿菌和傷寒菌等進(jìn)行分型。

噬茵體展示技術(shù)和噬菌體抗體庫

噬菌體展示技術(shù)是一種強(qiáng)有力的基因表達(dá)篩選技術(shù)，1985年首次由美國科學(xué)家SmithMl在(Science)雜志進(jìn)行了闡述。噬菌體展示技術(shù)的基本原理是將外源蛋白的基因克隆到噬菌體的基因組DNA中，從而在噬菌體的表面表達(dá)特定的外源蛋白。

Ellis SEp等指出利用噬菌體展示多肽庫可以篩選和確定線蟲疫苗的抗原，這是疫苗抗原鑒定的一種新方法。近年來隨著流行性病毒引起的疾病逐漸增加，抗病毒多肽被認(rèn)為是預(yù)防和治療疾病極有希望的方法。Castel G等指出噬菌體展示技術(shù)特異性表達(dá)的重組多肽可以應(yīng)用到抗病毒研究及藥物開發(fā)中。

在噬菌體展示技術(shù)及PCR克隆技術(shù)基礎(chǔ)上，英國科學(xué)家Winter等率先在(Nature)雜志上發(fā)表文章闡述噬菌體抗體庫技術(shù)。該技術(shù)是將抗體重鏈和輕鏈可變區(qū)基因與噬菌體的外殼蛋白基因重組，將抗體片段Fab或scFv與噬菌體外殼蛋白以融合蛋白的形式展示于噬菌體顆粒表面，進(jìn)而快速高效篩選并富集針對某種抗原的特異性抗體，從根本上改變了傳統(tǒng)的單抗制備流程。Krishnaswamy等利用噬菌體抗體庫技術(shù)篩選到抗白色念珠菌HM一1殺傷毒素的scFv—C1陽性噬菌體抗體，該噬菌體抗體比單克隆抗體結(jié)合抗原的特異性高60倍。刑佑尚等報道了噬菌體抗體庫技術(shù)在生物寄生蟲檢測、病毒檢測、轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品檢測、藥物殘留檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用，指出此技術(shù)在檢驗檢疫領(lǐng)域具有天然的契合優(yōu)勢和光明的前景。噬菌體抗體庫技術(shù)必將成為抗體生產(chǎn)的主要技術(shù)，將給人類在疾病診斷、腫瘤研究、自身免疫性疾病研究、基因治療、疾病防治和發(fā)病機(jī)制等方面帶來極為廣闊的前景。

用于檢測和控制致病菌

食品和環(huán)境中存在許多致病菌，研究表明噬菌體能夠檢測和控制食品和環(huán)境中致病菌及腐敗菌的生長。Bmvko LYu等討論了噬菌體檢測致病菌的優(yōu)缺點，指出利用噬菌體檢測食品安全及加工制造過程等方面存在的致病菌具有極大的應(yīng)用前景。姜琴等指出利用噬菌體可以實時、快速而準(zhǔn)確地檢測食品中的沙門氏菌，在公共和食品衛(wèi)生、畜牧獸醫(yī)和121岸檢疫中具有重要的意義。劉心妍認(rèn)為噬菌體不僅可用于檢測食源性致病菌，還可以應(yīng)用在原料采集環(huán)節(jié)殺滅病原菌、生產(chǎn)或加工環(huán)節(jié)對設(shè)備等進(jìn)行消毒、延長食品儲藏期、消毒新鮮水果蔬菜等方面。

噬菌體療法在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

噬菌體在宿主細(xì)胞中生長繁殖，能夠引起致病菌的裂解，降低致病菌的密度，從而減少或避免致病菌感染或發(fā)病的機(jī)會，達(dá)到治療和預(yù)防疾病的目的，即噬菌體療法¨“。此療法已廣泛應(yīng)用于獸醫(yī)、農(nóng)業(yè)和食品微生物學(xué)等領(lǐng)域。

（1）噬菌體療法在畜牧業(yè)中的應(yīng)用

國內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)尤其是養(yǎng)雞業(yè)常常受到畜禽腸道腹瀉病的困擾，此病主要是由大腸桿菌、沙門氏菌等致病微生物引起。隨著耐藥性細(xì)菌的大量出現(xiàn)，用具有專一性強(qiáng)、不易產(chǎn)生抗性等優(yōu)點的相關(guān)噬菌體來治療細(xì)菌疾病受到重視。Smith和Barrow等利用噬菌體療法可以降低羊羔、仔豬和雛雞患大腸桿菌腸道疾病的機(jī)率。 ^[1]

（2）噬菌體療法在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

爆發(fā)性疾病的頻繁發(fā)生給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，細(xì)菌性疾病噬菌體療法在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)具有良好的應(yīng)用前景。Park等在治療Pseudomonas plecoghssicida等病菌引起的細(xì)菌性血型腹水感染時，通過喂食含噬菌體的食物可以有效清除致病細(xì)菌。 ^[2]

（3）噬菌體療法在治療人類疾病中的應(yīng)用

噬菌體療法首先在人類疾病治療中得到應(yīng)用。1921年，Bruynoghe和Maisin率先用噬菌體制劑治療葡萄球菌引起的皮膚感染。此后噬菌體廣泛應(yīng)用于耳喉科、口腔科、眼科、皮膚科、兒科及肺部疾病等的治療。隨著抗生素的出現(xiàn)，噬菌體療法被漸漸忽視。Kutter 等報道噬菌體療法治療或預(yù)防人類疾病具有極大的潛力，指出通過實踐和試驗等方法最終使噬菌體療法商業(yè)化是避免此療法被忽視的關(guān)鍵。

隨著細(xì)菌抗生素耐藥性的廣泛存在，在許多領(lǐng)域使用噬菌體控制致病菌的生長和擴(kuò)增。噬菌體治療能夠避免腸道菌群失衡，保持機(jī)體的正常免疫力，被認(rèn)為是替代抗生素的一種安全、有效和有潛力的微生態(tài)制劑忸。

參考資料

• 1
  宋亞雄, 王麗麗, 李曉宇, 張建城, 李振, 張楠, 李淑英, 徐永平 - 《動物醫(yī)學(xué)進(jìn)展》 2016年3期．萬方 [引用日期2017-12-14]
• 2
  陳曉春, 王繼文, 曹永長, 畢英佐, 馬靜云 - 《動物醫(yī)學(xué)進(jìn)展》 2005年1期．萬方 [引用日期2017-12-14]
• 3
  國際噬菌體研究中心 International Phage Research Center, IPRC．江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品質(zhì)量安全與檢測研究所 [引用日期2022-08-31]

學(xué)術(shù)論文

內(nèi)容來自

• 馮書章，劉軍，孫洋.  細(xì)菌的病毒——噬菌體最新分類與命名．《中國獸醫(yī)學(xué)報》，2007
• 劉明河.  細(xì)菌病毒--噬菌體的應(yīng)用概況．《CNKI》，2002
• 司穉東.  細(xì)菌病毒——噬菌體的分類和命名．《CNKI》，1987
• 李菁華，孫延波.  噬菌體療法在耐藥性細(xì)菌感染中應(yīng)用的研究進(jìn)展．《CNKI;WanFang》，2013
• 帖金鳳.  噬菌體作為病毒滅活指標(biāo)毒株的探索研究．《中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院》，2006

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生物病毒

傳染因子

本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目 審核 。

病毒（Biological virus）是一種個體微小，結(jié)構(gòu)簡單，只含一種核酸（DNA或RNA），必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生并以復(fù)制方式增殖的非細(xì)胞型生物。

病毒是一種非細(xì)胞生命形態(tài)，它由一個核酸長鏈和蛋白質(zhì)外殼構(gòu)成，病毒沒有自己的代謝機(jī)構(gòu)，沒有酶系統(tǒng)。因此病毒離開了宿主細(xì)胞，就成了沒有任何生命活動、也不能獨立自我繁殖的化學(xué)物質(zhì)。它的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、和轉(zhuǎn)譯的能力都是在宿主細(xì)胞中進(jìn)行，當(dāng)它進(jìn)入宿主細(xì)胞后，它就可以利用細(xì)胞中的物質(zhì)和能量完成生命活動，按照它自己的核酸所包含的遺傳信息產(chǎn)生和它一樣的新一代病毒。 ^[1-2]病毒個體極其微小，絕大多數(shù)要在電子顯微鏡下才能看到。

中文名

生物病毒

外文名

Biological virus

定    義

1種獨特的傳染因子

特    性

自主地復(fù)制

包    括

擬病毒、類病毒和病毒粒子

生存條件

活的宿主細(xì)胞

傳播方式

感染

應(yīng)    用

疫苗、細(xì)胞工程、基因工程

目錄

1概念簡介
2基本結(jié)構(gòu)
3病毒分類
4病毒應(yīng)用
5科學(xué)研究

概念簡介

著名病毒 ^[3]

狹義的生物病毒是1種獨特的傳染因子，它是能夠利用宿主細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)來自主地復(fù)制自身的DNA或RNA、蛋白質(zhì)等生命組成物質(zhì)的微小生命體。而廣義的病毒復(fù)雜得多，包括擬病毒、類病毒和病毒粒子（virion），其中擬病毒和類病毒僅是1條簡單的ssRNA鏈，virion是一種類似酶的蛋白分子。因此生物病毒很難有1個確定的、明確的定義。

HIV

生物病毒不管是烈性噬菌體還是溫和型噬菌體，都必需在活的宿主細(xì)胞中才能得以復(fù)制繁殖，利用宿主細(xì)胞的核苷酸和氨基酸來自主地合成自身的一些組件，裝配下一代個體。并達(dá)到他們的目的。

復(fù)制后的生物病毒裂解宿主細(xì)胞而被釋放出去，感染新的宿主細(xì)胞。

雖然生物病毒會給人類帶來一定的益處，例如利用噬菌體可以治療一些細(xì)菌感染；利用昆蟲病毒可以治療、預(yù)防一些農(nóng)業(yè)病蟲害等，但卻危害很大，例如HIV、狂犬病毒等，給人類帶來生命的危險；流感病毒、肝炎病毒等會帶來疾?。籘MV，馬鈴薯Y病毒給人帶來財產(chǎn)損失。

病毒是一種可以在其它生物體間傳播并感染生物體的微小生物（其實因為病毒本身不能進(jìn)行新陳代謝，所以某種程度上還不能說病毒是生物）。有時使用“病毒”描述那些在真核生物中傳播和感染的生物；使用“噬菌體”或“吞噬體”來描述那些在原核生物間傳播的生物。病毒的起源不是很清楚。

基本結(jié)構(gòu)

病毒結(jié)構(gòu) ^[4]

病毒結(jié)構(gòu) ^[5]

病毒的蛋白質(zhì)外殼稱為衣殼，遺傳物質(zhì)多為RNA或DNA。衣殼與核酸分子統(tǒng)稱為核衣殼。但以HIV為例，病毒表面還包裹著類似細(xì)胞膜的胞膜和刺突結(jié)構(gòu)，與衣殼共同決定病毒的特異性。此外還有一些酶：如逆轉(zhuǎn)錄酶。

多數(shù)常見病毒由蛋白質(zhì)外殼和一種核酸（DNA或RNA）組成；但是朊病毒沒有核酸，只有蛋白質(zhì)；還有類病毒沒有蛋白質(zhì)，只有一種核酸。

病毒分類

病毒侵染細(xì)胞 ^[6]

病毒不僅分為植物病毒，動物病毒和細(xì)菌病毒。從結(jié)構(gòu)上還分為：單鏈RNA病毒，雙鏈RNA病毒，單鏈DNA病毒和雙鏈DNA病毒

巴爾的摩病毒分類體系將病毒分為7類：

DNA病毒：

雙鏈DNA病毒

單鏈DNA病毒

擬逆轉(zhuǎn)錄病毒（雙鏈DNA反轉(zhuǎn)錄病毒）

RNA病毒：

雙鏈RNA病毒

正鏈RNA病毒

負(fù)鏈RNA病毒

逆轉(zhuǎn)錄病毒（單鏈RNA反轉(zhuǎn)錄病毒）

病毒的生命過程大致分為：吸附，注入（遺傳物質(zhì)），合成（逆轉(zhuǎn)錄/整合入宿主細(xì)胞DNA），裝配（利用宿主細(xì)胞轉(zhuǎn)錄RNA，翻譯蛋白質(zhì)再組裝），釋放五個步驟。

因為病毒會拉近細(xì)胞間距離，易使細(xì)胞相融形成多核細(xì)胞，進(jìn)而裂解。

病毒應(yīng)用

1.滅活病毒做疫苗

2.基因工程中作載體

3.細(xì)胞工程中作細(xì)胞融合的誘因（滅活病毒）

病毒的潛伏期：病毒基因隨著宿主細(xì)胞的復(fù)制而復(fù)制，不進(jìn)行表達(dá)，此時細(xì)胞內(nèi)病毒數(shù)量增加不明顯。

百科x混知：圖解疫苗

科學(xué)研究

2022年11月，美國南加州大學(xué)凱克醫(yī)學(xué)中心的一項新研究表明，一種名為GRP78的伴侶蛋白在導(dǎo)致新冠病毒的傳播中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。研究表明，GRP78是病毒復(fù)制所必需的前病毒蛋白。 ^[7]

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參考資料

• 1曾華宗. 一種利用文獻(xiàn)挖掘進(jìn)行人類microRNA與病毒相互作用的方法: CN, CN 102268486 A[P]. 2011.
• 2蘇易編著,中國青少年百科 1 彩色插圖版,北京燕山出版社,2013.05,第217頁
• 3HIV, Ebola, Zika and Many More Virus can Stay into Men’s Semen - New Study Finds | Health Org．healthorg.info [引用日期2020-11-02]
• 4We're beginning to understand the biology of the covid-19 virus | New Scientist．www.newscientist.com [引用日期2020-11-08]
• 5COVID-19: Coronavirus replication, pathogenesis, and therapeutic strategies．www.ccjm.org [引用日期2020-11-08]
• 6Viruses: Structure, Replication, and Diseases．www.thoughtco.com [引用日期2020-11-08]
• 7靶向伴侶蛋白藥物有望對抗新冠|國際戰(zhàn)“疫”行動．科技日報．2022-11-17 [引用日期2022-11-17]

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病毒結(jié)構(gòu)

病毒物質(zhì)形式

1. 1.
   雙鏈DNA病毒（如腺病毒、皰疹病毒、痘病毒）
2. 2.
   單鏈DNA病毒（如小DNA病毒）
3. 3.
   雙鏈RNA病毒（如呼腸孤病毒）
4. 4.
   (+)單鏈RNA病毒（如微小核糖核酸病毒、披蓋病毒）
5. 5.
   (?)單鏈RNA病毒（如正黏液病毒、炮彈病毒）
6. 6.
   單鏈RNA反轉(zhuǎn)錄病毒（如反轉(zhuǎn)錄病毒）
7. 7.
   雙鏈DNA反轉(zhuǎn)錄病毒（如肝病毒）