单链DNA 噬菌体是一类丝状的大肠杆菌噬菌体，由单链环状DNA分子外面包裹上一层蛋白质外壳而成。单链DNA噬菌体有它特殊的生命活动方式。利用这些特点构建的单 链DNA载体，有着其它类型的载体所无法取代的优越性。噬菌体M13是其中的一个典型的代表。人们对它已经进行了深入细致的研究，无论对其生物学特性还是 遗传学背景，都有了深刻的了解。
1．M13单链DNA噬菌体的生物学特性
M13 噬菌体外形呈丝状，在颗粒内包装着单链环状DNA分子。因此其全名叫做M13单链DNA噬菌体。M13噬菌体只能感染具有F性须的大肠杆菌。F性须是大肠 杆菌细胞壁上长出的一种特殊须状结构，具有F性须的细胞称为雄性细胞。感染时，M13噬菌体首先吸附在F性须上，然后其内的DNA顺着性须进入细胞内。一 旦进入细胞内，M13单链DNA就立刻利用寄主细胞内的复制、转录和转译系统为自己“服务”。
进入的M13 DNA是裸露的单链环状DNA，能起模板的作用，称之为正（+）链DNA。以其合成的互补DNA链叫做负（-）链DNA。然后形成双链形式的复制型 DNA，简称为RF DNA。RF DNA快速地被复制，使细胞内拷贝数猛增到一定程度。复制过程中，寄主细胞内慢慢积累了一种由M13单链DNA噬菌体编码的单链特异的DNA结合蛋白质， 到了一定的程度后，就与RF DNA结合，使RF DNA的复制变成一种不对称的形式，单单只合成进入细胞时起模板作用的那条（+）链DNA链，而另一条互补（-）链DNA的合成就停止了。结果细胞内形成 大量的（+）链DNA。M13 DNA复制的同时还不“忘”表达，利用寄主细胞的“生产机器”合成出外壳蛋白。游离的（+）链DNA一旦接触到外壳蛋白，就立刻被“邀请”，包装进外壳蛋 白内，形成噬菌体颗粒，成熟后就被挤压出寄主细胞。新的子代M13 DNA噬菌体又会感染周围新的寄主大肠杆菌，重复以上的生命过程。
在M13的生命周期中并不导致寄主细胞发生溶菌效应，因此被感染的寄主细胞继续生长和分裂，但速度比正常的未感染的细胞要明显减慢。再加上新的子代M13噬菌体对周围的细胞感染，使得这一片的细胞生长缓慢，可以与正常生长的细胞明显地区别开来，我们称之为噬菌斑。
从上述M13 的生命过程中，可以得知，生活在寄主细胞内的是双链RF DNA和游离的单链的正（+）链DNA。成熟后排除到寄主细胞外的是被包装到蛋白质外壳内的（+）链DNA。M13还有下述特点：①不论是RF DNA还是单链DNA，都能够转染感受态的大肠杆菌；②M13单链DNA噬菌体可大可小，只受DNA的大小控制。因此M13不受外壳蛋白的包装限制。 M13噬菌体的这些优点，是其它载体所没有的，使用起来有其独到的优越性。
2．M13单链DNA噬菌体载体体系
M13 单链DNA噬菌体现已成为一种常用的克隆载体。在桑格设计的双脱氧DNA序列分析法中有特殊的用途。因它的RF DNA在寄主细胞中是以高拷贝数的形式存在的，所以很容易纯化出来作为载体使用，进行各种重组操作。而且感染的细菌培养物经离心处理除去大肠杆菌细胞和细 胞碎片之后，存留的上清液中可以有效地制备出M13单链DNA噬菌体颗粒，从而有利于制备大量的单链模板DNA。
自然来源的M13 单链DNA噬菌体是不适用于作基因克隆载体的，因为它只具有复制基因，没有选择标记基因和克隆位点。所以有必要充分利用M13的特点，对M13进行一系列 的载体改造。为了将M13单链DNA噬菌体发展成为一种有用的基因克隆载体，首先必须鉴定出可以用来插入外源DNA的非必要区段，以便顺利地引进选择标记 基因。然而与λ噬菌体不同，在丝状的M13单链DNA噬菌体基因组中，似乎不存在任何这样的区域。在测定了M13单链DNA噬菌体的DNA全序列结构之 后，人们发现，在其基因2和基因4之间，有一个长度为507个核苷酸的基因间区段。这一区段内含有复制起点。但只要小心操作，仍可以插入一段外源DNA片 段，而保持该复制起点的功能。人们通过在这个基因间区段内插入外源DNA片段，对M13单链DNA噬菌体进行改造，成功地发展成了M13克隆载体系列。
对M13单链DNA噬菌体的改建工作，是通过引进乳糖操纵子的Hind Ⅱ片段实现的。该片段是由lacI基因的一部分（lacI′）、lac启动子（P）、lac操纵基因（O）以及β-半乳糖苷酶基因的头145个氨基酸密码子即α-肽链（lacZ′）组成的。
这是一个十分有用的标记基因。由此获得了M13 派生的第一个载体M13mpⅠ。M13mpⅠ的缺点是对于基因克隆常用的一些酶，例如EcoRI或Hind Ⅲ等，在整个基因组上都不存在相应的限制位点。为了弥补这个不足，格罗纳伯恩和J．麦斯英（1978）通过用甲基化试剂突变的办法将乳糖操纵子HindⅡ 片段上的α-肽链的第五个氨基酸密码子及其附近的一段GGATTC序列突变成GAATTC，即引发一个从鸟嘌呤C到腺嘌呤A的碱基转换突变，从而在这个序 列上产生一个EcoRI限制酶的识别位点，结果得到了M13mp2载体。因而M13mp2即具有了理想载体的三个基本组成部分。
人们最初改建M13噬菌体的意图是想充分利用M13能大量产生单链DNA的优点，为桑格核苷酸序列分析提供单链模板DNA。
实际测序工作中，常需要将目的DNA片段酶切成更小的片段进行多次克隆，这样势必要从载体上回收DNA片段，对DNA片段进行多种限制酶切，然后再与M13系列载体连接。M13mp2只能接受EcoRI限制酶片段的克隆，使用范围太窄。
后来，经过人们又一系列的改良工作，获得了一系列适用于多种限制酶核酸内切酶的克隆载体，这一系列载体均以M13mp表示。M13mp后面再加上阿拉伯数字则表示这一系列中的某一成员。M13mp1是最早的一个载体，M13mp18和M13mp19是后来改建成的，这两个载体目前应用十分频繁。
改建后的M13mp 系列中，有几个载体是成对存在的，如M13mp18和M13mp19就是典型的一对。这样的一对载体基本结构是一样的，核苷酸总数也一样，唯一的区别就是 多克隆位点区的核苷酸方向正好相反。这就意味着，应用这种成对的M13mp载体，任何可以插入在它们所携带的限制酶位点上的外源DNA片段，都能够按照两 种彼此相反的取向进行克隆。这一特性对于DNA序列分析是特别有用的。因为这样便可以从两个相反的方向同时测定同一个克隆的DNA双链的核苷酸顺序，获得 彼此重叠而又相互印证的DNA序列结构资料。
M13mp载体系列，特别适用于克 隆单链的DNA分子。与其它的载体相比还有两个十分有用的优点。第一，在这类载体的基因组中有一条被修饰的β-半乳糖苷酶基因片段，其中插入了一段具有密 集的多克隆位点的序列。第二，M13载体系列可以有效地克隆双链DNA分子中的每一条单链。
3．M13克隆体系
M13及其衍生的系列M13mp载体都是噬菌体。噬菌体的生命活动是离不开它的寄主细胞的。因此由M13噬菌体和它的寄主细胞组成了M13克隆体系。从M13克隆体系中筛选出外源DNA插入的重组子是通过对β-半乳糖苷酶的功能活性的检测得以完成的。
M13 克隆体系中，M13mp载体及其大肠杆菌寄主细胞单独都不能够产生有功能活性的β-半乳糖苷酶。只有两者结合，才有可能形成有功能活性的β-半乳糖苷酶。 M13mp载体上的β-半乳糖苷酶基因片段是由乳糖操纵子的调控基因部分、操纵区和β-半乳糖苷酶基因的头145个氨基酸密码子即α-肽链基因片段组成 的。因此，M13mp载体在大肠杆菌寄主细胞中编码出的蛋白质产物只是一种α-肽链，而不是完整的β-半乳糖苷酶。此外，M13克隆体系中的大肠杆菌寄主 细胞的F-质粒上带有特殊的M15突变基因，M15突变基因实质上是乳糖操纵子的缺失突变，它缺少β-半乳糖苷酶的头11—41个氨基酸密码子，即 lacZ突变。因此在寄主细胞内合成的是缺失了头11—41氨基酸的有缺陷的β-半乳糖苷酶，又称为M15多肽。因为缺失，M15多肽失去了正常的β-半 乳糖苷酶的聚合成四聚体的能力，因而无法聚合成有功能的β-半乳糖苷酶。
体外实验发现α- 肽链和M15多肽可以发生α-互补作用，就是说α-肽链能使M15多肽恢复它形成四聚体的能力，补偿了lacZ基因突变带来的功能缺陷，这种现象就叫做 α-互补作用。其中，M15蛋白质多肽叫做α-受体，α-肽链就叫做α-供体。因此M13mp载体只有在大肠杆菌寄主细胞中活动，才能促使寄主细胞产生出 有功能活性的四聚体形式的β-半乳糖苷酶。
β-半乳糖苷酶有个很重要的能力，能 将无色的化合物5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D乳糖（简称为Xgal）分解成半乳糖和深蓝色的5-溴-4-氯靛蓝。因此我们可以在寄主细胞的培养基上加 入Xgal。凡是被M13噬菌体感染的寄主细胞，因能产生出有功能活性的β-半乳糖苷酶，可以将菌落所在处的无色的Xgal分解成深蓝色的5-溴-4-氯 -靛蓝，使菌落呈现蓝色。而未被M13感染的细菌菌落则呈现乳白色。当用M13mp载体克隆外源DNA片段时，因多克隆位点区位于β-半乳糖苷酶α-肽链 内部，将造成插入失活现象，使重组的M13mpDNA无法产生出有活性的α-肽链。因无法与寄主细胞配合产生α-互补作用，长成的噬菌斑是乳白色的。所以 应用Xgal显色反应可以十分灵敏、准确而快速地检测出重组体噬菌体。M13mp克隆体系非常巧妙地给研究者提供了方便。
