Cell子刊：單分子噬菌體感染
日期：2012-06-29 09:03:53
加州理工學院的研究人員首次觀察到了單個病毒通過導入自身DNA感染單個細菌的過程，并且對DNA轉移速度進行了檢測。通過研究噬菌體感染細菌的過程，研究人員發現決定噬菌體DNA轉移速度的是宿主細胞而非病毒遺傳物質的量。該文章發表在Current Biology雜志的網站上。
“我們的實驗能夠觀察單個病毒感染單個細菌的過程，”該研究的主要研究者，加州理工學院的生物物理學和生物學教授Rob Phillips說，“此前都是對大量的噬菌體和細胞進行研究而測得的感染速率，而用我們的方法可以實際觀察到單個病毒排出DNA的過程?！?/SPAN>
1952年在著名的Hershey-Chase實驗中，冷泉港卡內基研究所的Alfred Hershey和Martha Chase利用噬菌體證明了細胞中的遺傳物質是DNA而不是蛋白質。噬菌體能通過包裹在蛋白質外殼內的DNA感染細菌。Hershey 和Chase對噬菌體的硫元素（只存在于蛋白外殼而非DNA中）和磷（只存在于DNA而非蛋白中）元素進行了放射性標記了。然后用這些噬菌體感染細菌。將細菌分離并進行分析發現，細菌中只含有放射性的磷，證明DNA的確是遺傳物質。該結果也說明，噬菌體與感染人類的病毒不同，只將其遺傳物質轉入宿主細菌，而將“身體”留在外面。不過，到目前為止噬菌體DNA轉移的詳細機制依然是個謎。
有理論認為DNA在病毒內受到了較大的壓力。實際上也有研究顯示噬菌體遺傳物質在其、蛋白外殼中比在體外溶液中受到的壓力更大。Phillips說：“畢竟在50納米見方的外殼中包裹了16微米的DNA。相當于要把金門大橋上的500米纜繩裝入快遞車的后備箱?！?/SPAN>
Phillips的團隊希望了解這種壓力是否在DNA轉移過程中起主要作用。研究人員將基因組大小不同的兩種λ噬菌體的DNA進行熒光染色，然后通過熒光顯微鏡觀察了這兩種噬菌體DNA轉入E. coli菌體的過程。研究人員發現噬菌體DNA的平均排出時間為約5分鐘，并且DNA轉入不同細胞的時間也存在差異。
這與此前體外實驗的結果差異很大，噬菌體將DNA排入溶液中只需要不到10秒。而且當大基因組的噬菌體排出一定DNA，使其內部DNA長度與小基因組噬菌體DNA長度相當時，這兩種噬菌體排出DNA的速度相同。因此當時研究人員推斷，是噬菌體內DNA的含量決定了DNA轉移的速度。
顯然，體外實驗中的規律在細胞中并不適用。E. coli約1微米見方的細胞內含有約3百萬蛋白，蛋白之間距離小于10納米?！凹毎珦頂D了，幾乎沒有地方留給別的東西” Phillips說。
因此當噬菌體試圖將DNA轉入細胞時，限制DNA轉移速度的主要因素是細胞內的擁擠程度。在這種情況下，噬菌體DNA轉移速度與宿主的關系更大。
未來，研究人員將用文中的方法研究多種噬菌體，并對能協助拉病毒DNA進入細胞的分子進行研究。例如已有研究顯示，T7噬菌體的DNA在還未完全進入細胞時，在宿主細胞內的病毒DNA就已經開始了復制。
細胞生命的很多活動都與分子跨膜有關，而Phillips團隊的這一研究正是大分子跨膜的基礎，能幫助科學家進一步研究DNA和蛋白質等生物大分子的跨膜機制。
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