λ噬菌体的综述

生命科学学院

病毒生物学

λ

噬

菌

体

综

述

摘要：噬菌体是一类温和噬菌体，它们感染大肠杆菌后能进行溶菌性生长(Lytic growth)和溶源性生长(Lysogenic growth)。其溶源特性对基因重组与遗传工程研究有很大帮助。本文就λ噬菌体的基因组结构、溶

关键词：λ噬菌体溶原性溶菌性基因克隆

引言：

大肠杆菌噬菌体λ为长尾噬菌体科，是一类中等大小的大肠杆菌病毒，其基因组为双链线状DNA，由48502对碱基组成，分子量3.2×107 ，约50个基因，特点是相关基因成簇排列，形成若干个操纵子。基因组两端为粘性末端，中间有相当长的DNA片段是裂解生长非必需的，这就为其作为外源基因的克隆载体提供了方便。

λ噬菌体由头和尾构成，其基因组组装在头部蛋白质外壳内部，其序列已被全部测出。感染时吸附位点为细胞壁。属温和性感染；感染的DNA环化并整合于宿主基因组中。以θ环双向复制，然后通过滚环机制单向复制。用于感染大肠杆菌的λ噬菌体改造成的载体应用最为广泛。

1、The discovery of bacteriophage lambda

1951年J. Lederberg的妻子Esther Lederberg第一个证明

了 J. Lederberg和Tatum用来杂交的K-12中有原噬菌体，并

命名为λ，经10年的研究搞清了溶原化的实质。从此之后，λ

噬菌体被广泛用于模式物种；

1962年Esther Lederberg的同事并且还是她最好的朋友

Allan Campbell首次发现了λDNA整合到细菌DN A的机制；

之后由λ噬菌体改造后的载体广泛的用于基因工程。

2、The characteristics of bacteriophage lambda

2.1、结构特点：

λ为大肠杆菌温和性噬菌体，属长尾噬菌体科，头壳为直径

约50nm的二十面体，其内包裹一长线状双链DNA分子（46500bp），因分子两端各有一含12个核苷酸的黏性末端，故又可黏合成环状分子。有柔韧的管状长尾，无收缩尾鞘，长约150nm，末端有一根尾丝，蝌蚪状。

病毒毒粒的基本结构是包围着病毒核酸的蛋白质外壳，即壳体（capsid）或称衣壳。壳体是由大量同一的壳体蛋白单体分子，即蛋白质亚基（protein subunit）以次级键结合形成的。基于物理学原因和相对简单的几何学原理，由蛋白质亚基构成的病毒壳体主要取螺旋对称和二十面体对称两种结构形式。如图1，λ噬菌体头部为二十面体对称结构，而柄部为螺旋对称结构。

由λ噬菌体结构可以看出，其属于复合对称结构，即具有二十面体对称的头部和螺旋对称的柄部。

图1: λ噬菌体的结构图2 λ噬菌体电镜照片

2.2、基因组特征：

λ噬菌体的基因组，为两端不闭合的线型双链DNA，约占粒子重的54%，分子量为30.8×106道尔顿，48502核苷酸对，长度为17μm，λDNA分子两末端的5’端称为成熟末端，粘性末端由噬菌体颗粒提取的DNA，其线性分子与两端连接呈环状的分子，可成一平衡状态，但环状分子两条链各有一缺口。在DNA分子浓聚的情况，分子末端之间连接，可以发生聚集现象。由于DNA两条链的碱基差异，得到的分开的两条单链，分别称为l和r链（左和右链）。l链的走向是从5’→3’的方向，所以是左向或反时针方向转录，5’末端称为m末端，末端碱基为鸟嘌呤（G）。r链的5’→3’走向与l链相反为右向或顺时针方向转录，链的5’末端称为m’末端，其末端碱基为腺嘌呤（A）。感染进入菌细胞的λDNA两互补端联结，成为环状DNA分子，并由宿主细胞的连接酶将两端的缺口封闭成环状DNA分子，噬菌体进行复制、转录和整合。如在离体的条件下，用DNA聚合酶将此单链的黏性末端补平成双链，DNA就失去其生物活性，不再能有复制和溶原化的能力。

图3: λ噬菌体的DNA线状图谱

λ基因组可分为四大簇，它们分别是调节区、重组区、复制区和结构基因区(包括与头、尾部合成及组装、裂解有关的基因) .整个基因组如图所示，可分为三个部分，①左臂：长约20kb，其中的基因编码构成头部、尾部、尾丝对组装完整噬菌体所需要的蛋白质。②中段：长约20kb，是λDNA整合和切出，溶原生长所需的序列。③右臂：长约10kb，是调控区，控制溶菌和溶原生长最重要的调控基因和序列、以及λDNA复制起始

均在这区域内。左右臂包含λDNA复制、噬菌体结构蛋白合成、组装成熟噬菌体、溶菌生长所需全部序列；对溶菌生长来说，中段是非必需的。

根据λDNA的环状结构，可将66个可编码的基因分成3个功能区（function block）：右边的功能区参与衣壳形成和DNA的复制，称为右操纵子区；左边的功能区与裂解生长和溶源化功能有关，称为左操纵子区；中央功能区是λ基因组调控操纵子区，也称为免疫操纵子区。

图4：λ基因组环状图谱及主要的基因

λ噬菌体基因组的最大特点是在双链线状DNA两端各有12bp的粘性末端，可以环化，该粘性末端形成的双链区域称为cos位点（cohensive-end site）。如果将左右臂和中段都去除，仅留下λDNA而端包装噬菌体所必需的cos序列，再加上质粒的复制序列、标志基因、多克隆位点等，就可构成cos质粒或称为粘粒的载体。粘粒可插入45kb长的外源DNA，然后用λ噬菌体外壳蛋白包装成噬菌体，感染大肠杆菌后，粘粒的DNA 能以质粒的形式在细菌中繁殖而被克隆。所以粘粒主要用于DNA文库的构建。

图5:通过cos位点，可形成双链环状复制型DNA（RF DNA）

2.3、λ噬菌体的侵染过程

（1）吸附

吸附是病毒表面蛋白与细胞受体特异性的结合，导致病毒附着于细胞表面，这是启动病毒感染的第一阶段。

病毒吸附蛋白

病毒吸附蛋白（viral attachment protein, VAP）是病毒毒粒表面能够特异性地识别细胞受体并与之结合的结构蛋白分子，亦称作反受体（antireceptor）。无包膜毒粒的反受体往往是壳体的组成部分，有包膜病毒的反受体为包膜糖蛋白。编码反受体的基因的突变、能够灭活或破坏反受体的蛋白水解酶、β-糖苷酶及中和抗体等均可导致反受体与受体相互作用能力的丧失，进而影响病毒的感染性。

细胞受体

病毒的细胞受体亦称病毒受体，是指能被病毒吸附蛋白特异性地识别并与之结合，介导病毒进入细胞，启动感染发生的一组细胞膜表面分子，其大多数为蛋白质，亦可能是糖蛋白或磷脂。不同种系的细胞具有不同病毒的细胞受体，病毒受体的细胞种系特异性决定了病毒的宿主范围。

病毒的吸附过程

病毒毒粒与宿主细胞的初始结合往往涉及一个VAP分子于一个受体蛋白分子的结合，这种结合并不紧密，是一可逆过程。当毒粒上的多个位点与多个受体结合时就可能发生不可逆的结合，即发生吸附增强作用，这种增强作用使得毒粒与细胞的结合更加稳定、牢固。病毒吸附蛋白与细胞受体间的结合力来源于空间结构的互补性，相互间的电荷、氢键、疏水性作用及范德华力。

（2）侵入

侵入又称病毒的内化，这是一个病毒吸附后几乎立即发生，依赖于能量的感染步骤。λ噬菌体采取注射的方式将噬菌体核酸注入宿主细胞。