综述—试论述噬菌体溶菌机制的研究进展

试论述噬菌体溶菌机制的研究进展姓名：caohaichuan 学号：专业：微生物学摘要：噬菌体（bacteriophage，简称phage）主要通过抑制宿主细胞细胞壁的合成导致宿主菌溶解及通过溶解酶作用破坏宿主细胞壁，以大肠杆菌单链RNA噬菌体Qβ，真菌线状单链DNA（ssDNA）微小病毒φX174噬菌体和单链DNA噬菌体MS2及大肠杆菌λ噬菌体为例，分别论述噬菌体的两种溶菌机制。

λ噬菌体S和R基因分别编码穿孔素（holin）和内溶素（endolysin），形成穿孔素-内溶素（holin-endolysin）系统达到溶解宿主菌的目的。

进一步揭示该系统溶解基因的协调作用及相关基因的调控机制。

关键词：噬菌体；溶解酶；细胞壁；穿孔素；内溶素噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒的总称，因部分能引起宿主菌裂解，故称为噬菌体。

它在宿主菌内可高效复制,迅速地形成数百个子代噬菌体颗粒,每一个子代颗粒具备相同的侵袭、繁殖能力,重复4个感染周期后,一个噬菌体颗粒可杀灭数10 亿个细菌,这是噬菌体极具特色的一种生物学特性。

其溶菌机制主要包括两个方面，一个是通过抑制宿主细胞细胞壁的合成导致宿主菌溶解；另外一个方面是通过溶解酶作用导致宿主细胞壁的破坏。

这两个方面都能够有效的进行破坏宿主菌细胞壁的合成，从而达到溶菌的目的。

基于噬菌体溶菌机制，在治疗细菌感染、消毒以及反生物武器等领域具有良好应用前景，本文从以下几个方面综述其最新研究进展。

1. 噬菌体溶菌机制的研究噬菌体包括两种类型，温和噬菌体和烈性噬菌体。

其中具有溶菌作用的是烈性噬菌体，亦称毒性噬菌体。

噬菌体对其宿主菌的溶解是由专一溶解基因编码的特异性蛋白或噬菌体自身蛋白介导的溶解系统统一完成的，这一溶解系统具有一套完整、精密的调节机制和控制体系，而且其作用基质多集中宿主菌的细胞壁上，噬菌体蛋白通过不同的途径影响和破坏宿主菌胞壁质的生物合成及正常结构，从而导致噬菌体宿主菌细胞损伤、死亡。

烈性噬菌体成功吸附宿主菌后，就开始穿入溶菌过程，因其结构和基因控制的不同而显示出不同的溶菌机制。

1.1.通过抑制宿主细胞细胞壁的合成导致宿主菌溶解该机制实际上是小基因组噬菌体的溶菌机制。

缺乏溶壁酶的小基因组噬菌体利用多肽在不同阶段抑制宿主菌的胞壁质合成酶，从而在不同阶段溶解宿主菌。

例如大肠杆菌单链RNA噬菌体Qβ没有独立的溶解基因，主要利用衣壳蛋白A2参与宿主菌的溶解。

A2蛋白是一种多功能的单拷贝蛋白质, 有吸附性菌毛、保护噬菌体RNA抵抗外部核糖核酸酶( RNA酶)、溶解宿主菌的作用。

A2蛋白抑制宿主菌胞壁质生物合成关键步骤的催化剂MurA，通过靶向正常细胞胞壁生物合成途径中的不同阶段的酶而导致新合成的肽聚糖降解，从而逐渐使宿主细胞溶解。

此外，真菌线状单链DNA（ssDNA）微小病毒φX174噬菌体只含有10个基因，其溶菌机制是产生单一的溶解蛋白E。

蛋白E由必须基因D编码，有91个包含在+1区的密码子读框中，可有效抑制肽聚糖合成酶Mra Y[1]，Mra Y是介导肽聚糖合成中最初的脂质联合的催化剂。

研究表明，E蛋白还可以抑制特殊的肽聚糖前体物质二氨基庚酸进入细胞壁[2]，从而抑制真菌细胞壁的合成，可代替抗生素抑制真菌细胞。

类似的还有单链DNA噬菌体MS2，该噬菌体只含有4个基因，其中溶解基因L重叠在宿主菌表膜，而且在+1区复制，编码一个75个氨基酸的膜蛋白介导宿主菌的溶解。

1.2.通过溶解酶作用导致宿主细胞壁的破坏除了丝状噬菌体以外(丝状噬菌体并不裂解宿主菌,而是以分泌形式扩增噬菌体病毒颗粒) ,几乎所有的噬菌体都是通过引起宿主细胞溶解来结束它们的感染周期的[3]。

其中双链DNA噬菌体的溶菌方式就是利用溶壁酶溶解、破坏其宿主菌的细胞壁而达到裂解细菌的目的。

溶壁酶可以打开细胞壁上各种分子的共价键使细胞壁水解,从而杀死细菌。

通过对大肠杆菌的λ噬菌体研究发现,λ噬菌体具有4个溶解基因，包括S、R、R Z和R Z1 ,它们积聚在单一晚期基因启动子pR’溶解片夹下游的重叠簇中[4]。

然而，λ噬菌体的4个溶解基因中只有S和R是宿主细胞溶解所必需的,S和R编码的穿孔素和内溶素两种蛋白能够直接导致宿主菌的溶解[5]。

而R Z和R Z1只有当外膜被毫克分子浓度的二价阳离子固定后才具溶解作用。

基因S编码的产物为穿孔素，其作用是在细胞膜脂质双分子层上形成跨膜“孔洞”，使基因R产生的酶可以穿过细胞膜，到达细胞壁，达到降解细胞壁的目的[6]。

基因R编码产物为内溶素，是一种可溶解的细胞质糖基转移酶，也是一种能够水解细胞壁的溶壁酶，这种可溶性蛋白能破坏3类不同的肽聚糖多聚体的共价键，具有溶壁活性[7]。

在宿主菌内，S或R单一作用时，对宿主菌无明显溶菌功效，只有基因S和基因R协同作用时，才能够作用于肽聚糖，破坏细胞壁，是宿主菌溶解，即穿孔素-内溶素系统。

λ噬菌体就是利用穿孔素-内溶素系统溶解宿主菌的。

2. 穿孔素-内溶素系统穿孔素-内溶素系统能够破坏宿主菌细胞壁，达到溶菌目的，但是，由于内溶素缺少一个单一序列，因此内溶素必须与S基因协同作用，才能作用于肽聚糖[3]。

穿孔素-内溶素系统溶菌机制主要是从宿主菌内部发挥溶菌作用，噬菌体进侵入细菌体内，依赖宿主菌的蛋白质等物质合成大量的子代噬菌体，同时释放大量的穿孔素和内溶素。

然而大部分内溶素因缺少信号肽序列，从而无法穿过细胞膜，所以内溶素需要依靠穿孔素，才能穿过细胞膜，到达细胞壁。

但是，在革兰氏阳性菌中，由于其细胞壁肽聚糖层没有外膜的保护，内溶素可以从外部直接作用于细胞壁的肽聚糖层，从而不依赖穿孔素，就能直接溶解细菌。

2.1.穿孔素穿孔素是由基因S编码的，基因S是由一个含有107个密码子组成的开放阅读框（open reading frame,0RF），其显著特征就是具有双起始基序特征，能够编码2个具有对抗功能的内膜蛋白，S105和S107[8]。

S105含有105个氨基酸，具有跨膜结构，并发挥穿孔素作用，在脂质双分子层上形成“孔洞”，以便保证内溶素能够顺利通过细胞膜，作用于细胞壁。

S107是一种抗穿孔素，可特异性抑制穿孔素的功能[4]。

当穿孔素作用于细胞膜时，S107能够调节S105功能，防止过早形成跨膜“孔洞”。

2.2.内溶素所有的双链DNA噬菌体编码至少一种胞壁水解酶，即内溶素，在λ噬菌体中，内溶素是R基因编码的产物。

研究证明，内溶素具有两个功能域，细胞壁结合域（CBDs）和酶活性域（EADs）[10]。

内溶素紧紧的结合到细胞壁的肽聚糖层上的残基上，使细胞溶解。

然而，酶活性域依靠酶的催化机制裂解细菌肽聚糖层的特定位点，破坏肽聚糖层结构。

来自Mathias Schmelcher等人[10]的研究，发现两种假单胞菌噬菌体溶菌素KZ144和EL188对革兰氏阴性菌具有溶解作用，并具有一个N-端CBD和一个C-端EAD的结构元件。

其中，KZ144的N-端可以非常紧密的结合到绿脓假单胞菌的细胞壁上并且能够识别其他革兰氏阴性菌的肽聚糖，破坏肽聚糖层，裂解细胞壁。

然而，最近几年的研究主要来是针对酶的活性域进行的，来进一步揭示内溶素的溶菌机制。

噬菌体内溶素至少有4种不同的胞壁水解酶活性，包括糖苷转移酶，溶菌酶，酰胺酶和肽链内切酶。

内溶素在穿孔素的协调下，沿着跨膜“孔洞”穿过细胞膜作用于细胞壁，其中，糖苷转移酶和溶菌酶攻击细胞壁上糖苷键连接的氨基糖；酰胺酶和肽链内切酶攻击寡肽交联链的氨基化合物和肽键[11]。

从而破坏细胞壁，溶解宿主菌，同时释放大量的子代噬菌体颗粒。

在革兰氏阳性菌中，由于其细胞壁肽聚糖层没有外膜包裹，当内溶素从外部作用时，其能够进入到肽聚糖层并破坏这些微生物体。

因此，噬菌体产生的内溶素具有与抗生素一样的效果，很大程度上避免了耐药性。

然而，在革兰氏阴性菌中，由于肽聚糖层有一层外膜保护，内溶素无法自行穿过外膜到达细胞壁。

因此，对于革兰氏阴性菌来说，内溶素的溶菌机制是较为复杂的。

3.小结大肠杆菌单链RNA噬菌体Qβ，真菌线状单链DNA（ssDNA）微小病毒φX174噬菌体，单链DNA噬菌体MS2及大肠杆菌λ噬菌体通过不同的溶菌机制特异性识别不同的宿主菌，作用于肽聚糖，从而破坏宿主菌细胞壁，达到溶菌目的。

噬菌体对宿主菌的溶解是由专一的溶解基因编码的特异性蛋白或噬菌体自身蛋白介导的溶解系统共同完成的，调控机制通过协调作用，有效、准确地完成溶菌过程。

噬菌体具有严格的宿主专一性，这就使得其在特异性杀伤宿主菌方面具有很大优势。

在疾病治疗上，噬菌体与抗生素相比较，噬菌体不仅能够有效地控制疾病发生，而且还能有效避免病原体的耐药性，这是抗生素所不能比拟的。

噬菌体通过抑制细胞壁的合成或者通过溶壁酶作用来达到溶菌目的，从分子水平上进行研究，主要是由一些溶菌基因编码的特异性蛋白协同作用，这些溶解基因编码的蛋白可以通过某一特定机制作用于细胞膜和细胞壁上，在文章前面提到的两种溶解基因S和R就是如此的，基因S编码的蛋白穿孔素通过作用于细胞膜使其形成跨膜“孔洞”，从而使内溶素（基因R编码的蛋白）能够更好的穿过细胞膜并作用于细胞壁的肽聚糖层，最终溶解宿主菌。

基因S编码两个具有对抗作用的内膜蛋白，S105和S107,S105蛋白的作用是引导内溶素穿过细胞膜，而S107的作用则是调节S105蛋白出现的时间，防止穿孔素过早的形成跨膜“孔洞”，保证精确地调节穿孔素-内溶素系统，并有效溶解宿主菌。

由于噬菌体具有严格的宿主专一性，只能对特定的病原体产生作用，噬菌谱较窄。

随着对噬菌体分子结构和基因功能的深入了解，对其溶菌机制的认识将会更加深入和明确，以便解决噬菌体噬菌谱较窄以及探索噬菌体溶菌机制的共同途径等问题。

为了实现噬菌体在抗治疗细菌感染、消毒和反生物武器及解决抗生素耐药性等方面的广泛应用，我们必须探索一种新型的，噬菌谱较广的溶菌机制。

噬菌体溶菌机制的深入研究具有重大意义及广阔的应用前景，更是我们今后研究的方向。

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