[科普中國]-T4噬菌體

T4噬菌體是屬于大腸桿菌T系噬菌體，為烈性噬菌體1。頭部為二十面體對稱，尾部為螺旋對稱，稱為蝌蚪形噬菌體。2頭部大小為80nm×110nm，內(nèi)部含有雙鏈、線狀DNA分子，相對分子質(zhì)量為1.12 x 108；尾部由尾領(lǐng)、尾鞘、尾髓、尾板、尾刺和尾絲組成，長短為110nm×20nm，尾絲可伸展，幅度可達140nm。2

頭部外殼含8種蛋白質(zhì)，呈橢圓形二十面體，尾部含2種蛋白質(zhì)，呈棒狀。3T4噬菌體DNA連接酶，最初來自受T4噬菌體侵染的大腸桿菌細胞，T4 DNA連接酶既能連接黏性末端,又能連接平齊末端。4

介紹T系噬菌體是研究最廣泛和深入的細菌噬菌體，侵染大腸桿菌（一種正常棲居在人類腸道中的細菌）B菌株，T為英文Type的字頭，并按其發(fā)現(xiàn)的前后順序編號為T1，2，3，4，5，6，7，因其偶數(shù)型（2，4，6）結(jié)構(gòu)的化學組成與奇數(shù)型（1，3，5，7）不同，故又分為T－偶數(shù)系與T－奇數(shù)系。T4噬菌體屬偶數(shù)系。

形態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)造屬復(fù)合對稱體制5。這種雙鏈DNA病毒，形態(tài)為蝌蚪狀，由頭部、頸部和尾部三個部分構(gòu)成。頭部為一變形的二十面體對稱而尾部呈螺旋對稱。頭部長95 nm，直徑約為65 nm，其衣殼由8種蛋白組成。頭部與尾部相連處有一構(gòu)造簡單的頸部，包括頸環(huán)和頸須兩個部分，尾部由尾鞘、尾管、尾板、尾釘和尾絲五個部分組成。尾鞘、尾管長均為95 nm，是頭部核酸進入寄主細胞的通道。尾板上長著6根尾絲和6個尾釘。尾絲和尾釘都具有吸附功能，尤其是尾絲能專一性吸附在敏感寄主細胞表面相應(yīng)的受體上。5

化學組成T4噬菌體是大腸桿菌的一種烈性噬菌體，呈蝌蚪形，其DNA為線形雙鏈結(jié)構(gòu)，含1.66×106bp核苷酸。在T4噬菌體基因組約200個編碼蛋白質(zhì)的基因中，有135個是已知的（其中的82個是代謝相關(guān)基因，53個是裝配基因），其余近70個基因的功能未知。T4噬菌體基因組DNA中沒有胞嘧啶核苷酸（C），而是以5羥甲基胞嘧啶（HMC）替代。另外，在T4DNA分子兩端有極少數(shù)核苷酸構(gòu)成同向重復(fù)序列（稱“末端冗余”），末端冗余能使變性的T4DNA在復(fù)性過程中形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。6

增殖過程噬菌體的增殖過程基本同其他病毒。2

吸附噬菌體的吸附有兩個階段：①可逆階段，由隨機碰撞或靜電引力或氫鍵作用而相互接觸，無任何特異性；②不可逆特異性結(jié)合階段，不僅噬菌體與相應(yīng)細胞表面產(chǎn)生牢固結(jié)合，且病毒粒子表面發(fā)生結(jié)構(gòu)改變。

T4噬菌體尾部能與宿主細胞壁表面上的受體發(fā)生特異性結(jié)合，吸附于宿主細胞表面。2

侵入噬菌體侵入宿主細胞的方式通常是將核酸注入細胞，蛋白質(zhì)留在細胞外。T4噬菌體能水解細菌細胞壁肽聚糖，其作用相似于溶菌酶，使細胞壁產(chǎn)生小孔，可以導(dǎo)致細菌細胞內(nèi)容物漏出。但在正常病毒繁殖過程中，小孔很快會被細菌修復(fù)。2

生物合成噬菌體的復(fù)制比較復(fù)雜，如T4噬菌體的核酸為dsDNA，轉(zhuǎn)錄和翻譯分為三期。它的復(fù)制循環(huán)僅需20- 30min，但與其他病毒比較，除早期轉(zhuǎn)錄、晚期轉(zhuǎn)錄外，還增加了次早期（ delaye dearly）轉(zhuǎn)錄的階段。2

裝配T4噬菌體在生物合成時，分別合成噬菌體DNA、頭部蛋白質(zhì)亞單位、尾鞘、尾髓、基板和尾絲等部件，最后DNA收縮聚集，被頭部蛋白質(zhì)包圍形成二十面體的結(jié)構(gòu)，隨之尾部也逐步裝配起來2。噬菌體的裝配也是高度有序的，如在頭尾未完成裝配之前，尾絲不與尾部裝配，而只有完整的頭與尾裝配形成后，尾絲才能自動裝配于尾部，以形成完整的噬菌體。7

T4噬菌體的裝配包括5個不同的步驟：

頭的裝配

噬菌體的頭殼是最大、最復(fù)雜的部分，其頭部（head）的結(jié)構(gòu)組成涉及20個基因，這些基因分成兩大簇集中排列在基因組上。T4的前頭部（head）由衣殼蛋自gp23以及主要的裝配核心蛋白gp22和上要內(nèi)部蛋白gp IPⅢ聚集而成，這個過程發(fā)生于或近于宿主細胞膜上并且需要gp31、gp40、gp20和gp21以及宿主大腸桿菌基因產(chǎn)物的參與，在DNA裝填之前，前頭部上再加入gp24噬菌體縝部至少出5種T4蛋白，即gp13、gpN2、gpN4、gpN14和gpN6組成。7

DNA裝填

當T4頭部外殼裝配完成后，T4-DNA就隨之裝填到頭殼中，由于DNA長度為500nm，而T4頭部的長度不0.1nm，因此DNA在頭殼腔內(nèi)是緊密折疊的，至于DNA是如何裝進頭殼的還不十分清楚。通常T4DNA的裝填需要gp4、gp16和gp17的參與，基因49的ts突變體在較高溫度下形成空頭，溫度降低時則產(chǎn)生正常充滿DNA的頭部。現(xiàn)在已經(jīng)證實gp19具有核酸酶的活性，能夠?qū)?fù)制屮的DNA多聯(lián)體產(chǎn)生切割。值得指出的是每次DNA裝填的長度要比正常T4-DNA基因組多出20%，這可能就是產(chǎn)生末端冗余的機制。7

尾管和管鞘裝配

尾管由T44個拷貝的gp19構(gòu)成，其中每6個gp19分子組成一個環(huán)，這樣就可產(chǎn)生由24環(huán)疊成的螺腚管。隨后z裝配成的尾管與基板連接，再在gp54引物的參與下，gp18圍繞尾管聚合形成尾鞘。與gp19一樣，gp18也是由T4個拷貝組成24個重疊環(huán)。最后在尾管的近末端加上即gp3和gp15，其中g(shù)p15可以穩(wěn)定裝配的尾鞘，并組成頸與頸圈附著的連接部。7

T4噬菌體尾部和頭部分別裝配完成后，頭和尾就可自發(fā)地產(chǎn)生結(jié)合，這種結(jié)合作用在體外和體內(nèi)均可以發(fā)生，而且不需要額外基因產(chǎn)物的加入。7

基板裝配

基板是通過兩個獨立的裝配程序形成的，由7個基因廣物gp10、gp11、gp7、gp8、gp6、gp53和gp25相互作用形成的楔狀物，以裝配形成外部呈六角形結(jié)構(gòu)的6個“臀”，另外由6個基因產(chǎn)物gp27、gp5、gp26、gp28、gp51和gp29相互作用，產(chǎn)生一個中心的“塞子”，再由一個塞子和6個臂結(jié)合而成一個不穩(wěn)定的六角形前體結(jié)構(gòu)，并且在另外4個基因產(chǎn)物gp9、gp12、gp48和gp54的參與下構(gòu)成完整的基板。7

尾絲裝配

T4尾絲裝配和附著于基板的6個頂角需要8個T4基因產(chǎn)物參與，其中g(shù)p37、gp36、gp35和gp34為尾絲的結(jié)構(gòu)組分，gp38、gp57、gp63和 gpWac起附屬和催化作用，一個完整的尾絲可能含有g(shù)p34、gp36、gp37各兩個分子和一個分子的gp35，尾絲由遠側(cè)半段和近側(cè)半段組成，gp37、gp36、gp35構(gòu)成尾絲的遠側(cè)半段，gp34組成近側(cè)半段，見g38和gp57為兩個裝配附屬蛋白，它們是g37聚合所必需的；gp63和gpWac則是尾絲附著于基板所必需的。g63不出現(xiàn)在除菌體顆粒中，但它能使近側(cè)半段尾絲的近端頂部與基板相互作用，gpWac還是噬菌體的頸須蛋白，由它組成的6根絲狀物，即頸須附著項圈。尾絲裝配與噬菌體顆粒其余部分無關(guān)，尾絲必需在頭與尾連接之后才能附著于基板上。7

主要用途T4噬菌體被證明是一個解決基因和信息傳遞本質(zhì)的理想體系，是生命科學研究的一種模式生物。8

科學家們在T4噬菌體中發(fā)現(xiàn)了一種酶，稱為T4 DNA連接酶。T4 DNA連接酶這種連接酶是由噬菌體T4基因編碼的，感染大腸桿菌后，在宿主細胞中產(chǎn)生。其相對分子質(zhì)量為6800，既可催化DNA黏性末端連接，也可催化平末端連接。T4 DNA連接酶在基因工程操作中被廣在基因工程操作中被廣泛應(yīng)用。9

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

趙磊 - 副教授 - 中國農(nóng)業(yè)大學