[科普中国]-乳酸菌噬菌体

定义

乳酸菌噬菌体是专门寄生于乳酸菌细胞内的细菌病毒。噬菌体是专门寄生在细胞内的细菌“寄生虫”，它在自然界中无处不在。噬菌体感染乳酸菌具有很重要的经济学意义，因为它是导致发酵失败的主要原因之一。在乳品生产中已经采用了大量的技术手段来减少噬菌体感染，包括过滤空气、将发酵剂制备区同生产区分开、采用直投式发酵剂、应用密闭的发酵罐、轮换发酵剂菌株以及利用噬菌体抗性培养基。但是，采用这些措施并不能完全消灭在工业生产中导致严重问题的噬菌体。因此，人们对噬菌体一宿主之间的相互作用和噬菌体生物学进行了大量的研究，希望对乳酸菌噬菌体的基本了解有助于找到一个能够长期有效解决噬菌体感染的方法。1

种类1915年，Twort首次鉴定了噬菌体，两年以后H6relle将其命名为细菌噬菌体。1935年，Whiteheat和Cox第一次报道了噬菌体对乳酸乳球菌发酵剂的感染，他们发现噬菌体是乳品正常发酵的主要威胁。噬菌体同其他类型病毒一样，对宿主细胞有着很强的依赖性和专一性。乳酸菌类型的纷繁复杂，必然导致其噬菌体种类复杂。早期的分类是根据它们的宿主范围及形态，最近则更侧重它们的基因相关性，同源性。1967年，Bradley基于噬菌体的形态将它们分成了三类，即①A型，收缩性尾；②B型，非收缩性长尾；③C型，非收缩性短尾。此外，形态型1～3分别代表不同的头部形态，即①型，正多面体形小头；②2型，椭圆体形头；③3型，椭圆体形大头(正多面体形、椭圆体形和大的椭圆体形头部的噬菌体相应的分别代表形态型1、2和3)。后来，Aekerman和DuBow将噬菌体区分为不同的家族，并将Bradley命名的形态型A～C相应的重新分类并命名为Myoviridae、Siphoviridae和Podovirdae，乳品工业生产中存在的噬菌体多数属于Siphoviridae。2

形态及基因组成到目前为止，所有的研究都表明乳酸菌噬菌体都有一个蛋白质的头和尾，并在头部内含有一个与宿主(G+C)mol%相近的dsDNA分子，有无黏性末端视种类而定。一般来说，(G+C)mol%在乳球菌噬菌体中的范围是从乳球菌噬菌体的37%至乳杆菌噬菌体的48%，基因组的大小通常是18～55kb，但也有研究者检测到过更长的基因组(134kb)。乳酸菌噬菌体的基因组结构非常紧凑，较小的基因组通常有基因重叠现象，几乎不含非编码的DNA区域。1

生命周期噬菌体根据其生命周期的不同，它被分为两种类型。“烈性”或“裂解性”噬菌体只能用一种方式繁殖。简言之，在感染的初期，裂解性噬菌体用它们的尾部末梢吸附到乳酸菌细胞表面的特异受体位点。在电子显微镜下可看到，乳球菌噬菌体或者是均一地结合到细胞上或者是在细胞表面均匀分布的受体位点结合一小群(5～30个噬菌体)。随后，噬菌体的线性基因组DNA被注入细胞质中。随着噬菌体DNA的注入，噬菌体开始复制，随后进行成熟噬菌体后代的包装，此过程还包括DNA的包裹。裂解性生命周期的最后一个阶段是通过两个不同类型的噬菌体编码的蛋白质的作用，将噬菌体后代从被感染的细胞中释放出来。第一个蛋白质具有裂解活性，能够降解宿主的细胞壁，而第二个蛋白质是促进蛋白，它将细胞膜瓦解，从而使得裂解酶能够接触到细胞壁而发挥作用。随后，噬菌体后代被释放到可以进行裂解循环的环境。

“溶源性”或“温和”噬菌体具有更多用途，因为它们并不进入裂解途径，相反进入一个不会导致宿主细胞死亡的生命周期。此过程就是溶源性循环，在此过程中噬菌体DNA整合到宿主的染色体上形成前噬菌体。整合涉及宿主细胞上的较短的同源DNA序列或者连接位点(attB位点)与噬菌体基因组(attP位点)之间的位点特异性重组。噬菌体一旦整合到细菌的染色体上，噬菌体就能够保持这种由噬菌体编码的抑制蛋白介导的不确定的原噬菌体状态。可能会选择性地发生前噬菌体的诱导(也就是解除抑制)，导致前噬菌体被切除，裂解性循环开始。后面将会详细介绍溶源性循环的相关知识．1

分类关于乳酸菌噬菌体的研究，很多都集中在建立一个一致的分类方案上。理想的分类方法，应该能够以噬菌体进化起源的形式反映它们之间的关系。早期的分类方法是基于噬菌体的形态学和血清学特征以及噬菌体和宿主之间的相互作用和它们含有的蛋白质的特征。近些年来，分类方案也采用了其他一些参数，包括通过DNA同源性研究和序列分析对噬菌体基因进行比较。这些分类方法都将在下面进行叙述。1

形态学分类由于噬菌体的形态型特征相对比较容易检测，因此对噬菌体进行分类时的最初步骤，通常包括测定噬菌体的形态型特征。迄今为止，所有鉴定的嗜热链球菌噬菌体，都属于Siphoviridae家族，即属于Bradley定义的B1家族。这些噬菌体的主要特征是具有正多面体形的小头(直径为50～90nm)和一个相对较长的条纹状的非收缩性尾(100～360nm)。

尽管有人报道了一些属于Podoviridae家族的乳球菌噬菌体，但是大多数感染乳球菌的噬菌体属于Siphoviridae家族，它们或者具有正多面体形的小头(也就是形态型B1)，或者具有椭圆体形的头(形态型B2)，其中形态型B1更常见一些。

虽然通常感染乳酸杆菌的噬菌体是属于Siphoviridae家族的具有正多面体形小头的噬菌体，但是也有人发现了一些具有椭圆体形头的乳酸杆菌噬菌体。还有人发现感染瑞士乳杆菌(Lactobacillus helveticus)的噬菌体具有正多面体形的头部和长度可变化的收缩性尾部，这也是对噬菌体进行分类的一个基本特征。

属于明串珠菌属(Leuconostoc)的细菌是异型乳酸发酵的乳酸球菌，它们在食品工业中通常作为混合菌株发酵剂中的次要成分来使用。酒明串珠菌(Leuconostoc oenus)被重新分类为酒酒球菌(Oenococcus oeni)，它被应用于葡萄酒的生产中，进行苹果乳酸发酵。很少有明串珠菌噬菌体的报道，这是由于它们生长得很缓慢，因而很难检测到噬菌体。明串珠菌噬菌体是由非收缩性的长尾和正多面体形的头部构成的，因此它们属于Siphoviridae家族，B1家族。1

宿主范围分类在很多研究中都提及以宿主范围为基础对乳酸菌噬菌体进行的分类，特别是相关食品(尤其是乳制品)在发酵生产过程中使用的乳酸菌。然而，以宿主范围为基础的分类方法不能够同以其他分类标准为基础的分类方法相聚合。例如，嗜热链球菌(S．ther—mophilus)的一些噬菌体具有非常相似的宿主范围，尽管它们的DNA同源性有限。与此相反的是，其他一些具有相似的限制性特征的噬菌体表现出完全不同的裂解谱。1

血清学分类还有的研究者试图以噬菌体的血清学特征为依据来对嗜热链球菌和乳球菌噬菌体进行分类。但是这种分类方法有个严重的缺陷，那就是它是以病毒体外部结构上的抗原的特性为基础，因此，这种分类方法仅仅表明了基因组一小部分基因的表达。1

侵染原理随着现代分子生物学和大规模测序技术的发展，人们在深入了解乳酸菌噬菌体基因组的结构和功能组织上获得了非常大的进展。目前，根据人们已经研究的很透彻的噬菌体基因组是以下这种方式组织的：功能相关基因排列成串，这些功能串进一步形成模块。乳酸菌噬菌体的基因组也是以同样方式排列的。一个模块就是指一组邻近的编码蛋白质的基因，它们所编码的蛋白质能够执行一个特异的生物学功能，噬菌体通过相互交换可互换的基因模块来进行进化。人们推测，保守基因序列可以将噬菌体之间产生不能繁衍的互相交换作用的数目减到最少，这种相互交换的结果是在含有部分同源染色体的噬菌体之间通过基因重组产生的。这种功能组织在各种噬菌体的基因组中都是保守的。已完全被测序的嗜热链球菌噬菌体001205、07201、DTl、Sill9、Sfi21和乳杆菌的噬菌体LL_H、oadh、ogle的模块结构同P335乳球菌噬菌体是类似的。2