T4噬菌體

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，並按其發現的前後順序編號為T1，2，3，4，5，6，7，因其偶數型（2，4，6）結構的化學組成與奇數型（1，3，5，7）不同，故又分為T－偶數系與T－奇數系。T4噬菌體屬偶數系。

構造屬複合對稱體制 ^[5]  。這種雙鏈DNA病毒，形態為蝌蚪狀，由頭部、頸部和尾部三個部分構成。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造簡單的頸部，包括頸環和頸須兩個部分，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。尾板上長着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的受體上。 ^[5] 

T4噬菌體是大腸桿菌的一種烈性噬菌體，呈蝌蚪形，其DNA為線形雙鏈結構，含1.66×10⁶bp核苷酸。在T4噬菌體基因組約200個編碼蛋白質的基因中，有135個是已知的（其中的82個是代謝相關基因，53個是裝配基因），其餘近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分子兩端有極少數核苷酸構成同向重複序列（稱“末端冗餘”），末端冗餘能使變性的T4DNA在復性過程中形成環形結構。 ^[6] 

噬菌體的增殖過程基本同其他病毒。 ^[2] 

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不可逆特異性結合階段，不僅噬菌體與相應細胞表面產生牢固結合，且病毒粒子表面發生結構改變。

T4噬菌體尾部能與宿主細胞壁表面上的受體發生特異性結合，吸附於宿主細胞表面。 ^[2] 

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，其作用相似於溶菌酶，使細胞壁產生小孔，可以導致細菌細胞內容物漏出。但在正常病毒繁殖過程中，小孔很快會被細菌修復。 ^[2] 

噬菌體的複製比較複雜，如T4噬菌體的核酸為dsDNA，轉錄和翻譯分為三期。它的複製循環僅需20- 30min，但與其他病毒比較，除早期轉錄、晚期轉錄外，還增加了次早期（ delaye dearly）轉錄的階段。 ^[2] 

T4噬菌體在生物合成時，分別合成噬菌體DNA、頭部蛋白質亞單位、尾鞘、尾髓、基板和尾絲等部件，最後DNA收縮聚集，被頭部蛋白質包圍形成二十面體的結構，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後，尾絲才能自動裝配於尾部，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：

噬菌體的頭殼是最大、最複雜的部分，其頭部（head）的結構組成涉及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）由衣殼蛋白gp23以及主要的裝配核心蛋白gp22和上要內部蛋白gp IPⅢ聚集而成，這個過程發生於或近於宿主細胞膜上並且需要gp31、gp40、gp20和gp21以及宿主大腸桿菌基因產物的參與，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] 

當T4頭部外殼裝配完成後，T4-DNA就隨之裝填到頭殼中，由於DNA長度為500nm，而T4頭部的長度不0.1nm，因此DNA在頭殼腔內是緊密摺疊的，至於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突變體在較高温度下形成空頭，温度降低時則產生正常充滿DNA的頭部。現在已經證實gp19具有核酸酶的活性，能夠對複製屮的DNA多聯體產生切割。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%，這可能就是產生末端冗餘的機制。 ^[7] 

尾管由T44個拷貝的gp19構成，其中每6個gp19分子組成一個環，這樣就可產生由24環疊成的螺腚管。隨後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。最後在尾管的近末端加上即gp3和gp15，其中gp15可以穩定裝配的尾鞘，並組成頸與頸圈附着的連接部。 ^[7] 

T4噬菌體尾部和頭部分別裝配完成後，頭和尾就可自發地產生結合，這種結合作用在體外和體內均可以發生，而且不需要額外基因產物的加入。 ^[7] 

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構的6個“臀”，另外由6個基因產物gp27、gp5、gp26、gp28、gp51和gp29相互作用，產生一箇中心的“塞子”，再由一個塞子和6個臂結合而成一個不穩定的六角形前體結構，並且在另外4個基因產物gp9、gp12、gp48和gp54的參與下構成完整的基板。 ^[7] 

T4尾絲裝配和附着於基板的6個頂角需要8個T4基因產物參與，其中gp37、gp36、gp35和gp34為尾絲的結構組分，gp38、gp57、gp63和 gpWac起附屬和催化作用，一個完整的尾絲可能含有gp34、gp36、gp37各兩個分子和一個分子的gp35，尾絲由遠側半段和近側半段組成，gp37、gp36、gp35構成尾絲的遠側半段，gp34組成近側半段，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則是尾絲附着於基板所必需的。g63不出現在除菌體顆粒中，但它能使近側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，即頸須附着項圈。尾絲裝配與噬菌體顆粒其餘部分無關，尾絲必需在頭與尾連接之後才能附着於基板上。 ^[7] 

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

科學家們在T4噬菌體中發現了一種酶，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，感染大腸桿菌後，在宿主細胞中產生。其相對分子質量為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泛應用。 ^[9] 

2023年，美國天主教大學和普渡大學研究團隊設計了一種方法，用一類被稱為T4噬菌體、能感染細菌的病毒，製造人造病毒載體（AVV）。 ^[10]