細菌ゲノム

細菌ゲノムは、真核生物のゲノムと比較すると、一般的に小さく、種間でのサイズの変異も少ない。細菌ゲノムのサイズは、約130 kbp ^{[1] [2]から14} Mbpを超えるものまでさまざまである。^[3] 478個の細菌ゲノムを対象とした研究では、ゲノムサイズが増加するにつれて、真核生物では非真核生物よりも遺伝子数が不釣り合いに遅い速度で増加するという結論に達した。つまり、非細菌では、細菌よりもゲノムサイズとともに非コードDNAの割合がより速く増加する。これは、真核生物の核DNAのほとんどが遺伝子をコードしていないのに対し、原核生物、ウイルス、および細胞小器官の遺伝子の大部分はコードしているという事実と一致している。^[4] 現在、50の異なる細菌門と11の異なる古細菌門のゲノム配列がわかっている。第二世代のシーケンシングにより、多くのドラフトゲノムが得られています（GenBank の細菌ゲノムの約 90% は現在完全ではありません）。第三世代のシーケンシングでは、最終的には数時間で完全なゲノムが得られるかもしれません。ゲノム配列は細菌の多様性を明らかにしています。2,000 を超える大腸菌ゲノムの分析により、大腸菌コアゲノムには約 3,100 の遺伝子ファミリーがあり、合計で約 89,000 の異なる遺伝子ファミリーがあることが明らかになりました。^[5]ゲノム配列によると、寄生細菌には 500～1,200 の遺伝子があり、自由生活細菌には 1,500～7,500 の遺伝子があり、古細菌には 1,500～2,700 の遺伝子があります。^[6] Cole らによる驚くべき発見では、ハンセン病菌と祖先細菌を比較すると、大量の遺伝子が減少することが説明されました。^[7]その後の研究で、いくつかの細菌のゲノムサイズは祖先よりも小さいことが示されています。^[8]長年にわたり、研究者らは細菌ゲノムの劣化の一般的な傾向と細菌ゲノムの比較的小さいサイズを説明するためにいくつかの理論を提唱してきました。説得力のある証拠は、細菌ゲノムの明らかな劣化は欠失バイアスによるものであることを示しています。

2014年現在、公開されている細菌ゲノムの配列は3万件以上あり、メタゲノムプロジェクトは数千件に上ります。細菌と古細菌のゲノム百科事典（GEBA）などのプロジェクトでは、さらに多くのゲノムを追加する予定です。^[5]

単一遺伝子の比較は、現在ではより一般的な方法に取って代わられつつあります。これらの方法により、これまでは推定のみであった遺伝的関係について新たな視点がもたらされました。^[5]

細菌ゲノム配列解析の次の10年間における重要な成果は、サンプル中に存在するすべてのDNAをカバーするメタゲノムデータの作成でした。以前は、2つのメタゲノムプロジェクトしか公開されていませんでした。^[5]

細菌は、2つの重要な点で真核生物とは異なるコンパクトなゲノム構造を持っています。細菌は、ゲノムサイズとゲノム内の機能遺伝子の数との間に強い相関関係を示し、それらの遺伝子はオペロンに構造化されています。^{[9] [10]}真核生物ゲノム（特に多細胞真核生物）と比較して細菌ゲノムの相対密度が高い主な理由は、遺伝子間領域とイントロンの形で非コードDNAが存在することです。^{[10]注目すべき例外には、最近形成された病原性細菌が含まれます。これは、Cole}ら による研究で最初に説明されました。この研究では、Mycobacterium lepraeが、自由生活の祖先よりも機能遺伝子に対する偽遺伝子の割合が有意に高い（約40％）ことが発見されました。^[7]

さらに、細菌の種間では、他の主要な生命群のゲノムサイズと比較すると、ゲノムサイズのばらつきが比較的少ない。^[6]真核生物種の機能遺伝子の数を考えるとき、ゲノムサイズはあまり関係ない。しかし、細菌では、遺伝子の数とゲノムサイズの間に強い相関関係があるため、細菌ゲノムのサイズは研究と議論の興味深いトピックとなっている。^[11]

細菌の進化の一般的な傾向は、細菌が自由生活生物として始まったことを示している。進化の過程で、一部の細菌は病原体や共生生物になった。細菌の生活様式は、それぞれのゲノムサイズに不可欠な役割を果たしている。自由生活細菌は、3種類の細菌の中で最も大きなゲノムを持っているが、最近病原性を獲得した細菌よりも偽遺伝子が少ない。

通性細菌および最近進化した病原細菌は、自由生活細菌よりもゲノムサイズが小さいですが、他のどの形態の細菌よりも多くの疑似遺伝子を持っています。

絶対細菌共生菌または病原菌は、3つのグループの中で最もゲノムが小さく、偽遺伝子の数も最も少ない。^{[12]細菌の生活様式と}ゲノムサイズの関係は、細菌ゲノムの進化のメカニズムに関する疑問を提起する。研究者らは、細菌のゲノムサイズの進化のパターンを説明するためにいくつかの理論を展開してきた。

単一遺伝子の比較がゲノムの比較に大きく取って代わられるにつれて、細菌ゲノムの系統発生の精度が向上しました。平均ヌクレオチド同一性（ANI）法は、約10,000bpの領域を利用して、ゲノム全体の遺伝的距離を定量化します。1つの属のゲノムから十分なデータが得られたら、種を分類するためのアルゴリズムを実行します。これは、2013年にPseudomonas avellanae^{種に対して行われ[5]}、2020年以降はすべての配列決定された細菌と古細菌に対して行われました。 ^[13]配列間で観測されたANI値は、85〜95％の「ANIギャップ」があるように見え、種の概念を定義するのに適した遺伝的境界が存在することを示唆しています。^[14]

細菌ゲノムに関する情報を抽出するために、いくつかの細菌株のコアゲノムとパンゲノムのサイズが評価されています。2012年には、コア遺伝子ファミリーの数は約3000でした。しかし、2015年までに利用可能なゲノムが10倍以上に増加し、パンゲノムも増加しました。追加されたゲノムの数とパンゲノムの増加には、おおよそ正の相関関係があります。一方、コアゲノムは2012年以来変化していません。現在、大腸菌パンゲノムは約90,000の遺伝子ファミリーで構成されています。これらの約3分の1は、単一のゲノムにのみ存在します。ただし、これらの多くは単なる遺伝子フラグメントであり、呼び出しエラーの結果です。それでも、大腸菌にはおそらく60,000を超える固有の遺伝子ファミリーがあります。^[5]

細菌は、自由生活または通性寄生生活サイクルから恒久的な宿主依存生活に移行するにつれて、大量の遺伝子を失う。細菌ゲノムサイズのスケールの下限に近いのは、マイコプラズマと関連細菌である。初期の分子系統学的研究は、マイコプラズマが以前の仮説に反して進化的に派生した状態を表していることが明らかになった。さらに、マイコプラズマは絶対宿主関連細菌のゲノム縮小の多くの例の1つにすぎないことが現在ではわかっている。他の例としては、リケッチア、ブフネラ・アフィディコラ、ボレリア・ブルグドルフェリなどがある。^[15]

このような種のゲノムサイズが小さいことは、ポリペプチド配列の急速な進化やゲノム中のGC含有量の低さなど、特定の特性と関連している。無関係な細菌におけるこれらの特性の収束進化は、宿主との絶対的な関係がゲノム縮小を促進することを示唆している。^[15]

完全に配列決定された細菌ゲノムの80%以上が完全なORFで構成され、遺伝子長が遺伝子あたり約1kbでほぼ一定であることを考えると、小さなゲノムは代謝能力がほとんどないと推測されます。大腸菌、サルモネラ属、バチルス属などの自由生活細菌は通常、DNAに1500〜6000個のタンパク質がコードされていますが、絶対病原性細菌では、そのようなタンパク質が500〜1000個しかないことがよくあります。^[15]

1 つの候補となる説明は、縮小したゲノムは、細菌の生態学的ニッチで生き残るために必要な遺伝子に加えて、細胞の成長と複製に関連する重要なプロセスに必要な遺伝子を保持しているというものです。しかし、配列データはこの仮説に反しています。真正細菌間の普遍的な相同遺伝子のセットは、各ゲノムのわずか 15% を占めています。したがって、各系統は、サイズを縮小するために異なる進化の道をたどっています。普遍的な細胞プロセスには 80 を超える遺伝子が必要であるため、遺伝子の多様性は、非相同遺伝子を利用することで同じ機能を実現できることを示唆しています。^[15]

宿主依存型細菌は、代謝に必要な多くの化合物を宿主の細胞質または組織から確保することができる。代わりに、自身の生合成経路と関連遺伝子を廃棄することができる。この除去は、多くの特定の遺伝子の喪失を説明する。例えば、宿主からの特定のエネルギー基質に依存するリケッチア種は、その固有のエネルギー代謝遺伝子の多くを失っている。同様に、ほとんどの小さなゲノムは、アミノ酸生合成遺伝子を失っている。これらの遺伝子は宿主に存在するためである。例外の 1 つは、アブラムシの絶対母系伝達共生菌であるブフネラである。この菌は、重要なアミノ酸の生合成遺伝子を 54 個保持しているが、宿主が合成できるアミノ酸の経路はもはや持っていない。ヌクレオチド生合成経路は、多くの縮小ゲノムから消えている。ニッチ適応を通じて進化した同化経路は、特定のゲノムに残っている。^[15]

使われない遺伝子は最終的に除去されるという仮説は、除去された遺伝子の多くがなぜ絶対病原体で有用なまま残るのかを説明できない。例えば、除去された遺伝子の多くは、複製、転写、翻訳などの普遍的な細胞プロセスに関与する産物をコードしている。DNAの組み換えと修復をサポートする遺伝子でさえ、すべての小さなゲノムから削除されている。さらに、小さなゲノムにはtRNAが少なく、1つを複数のアミノ酸に利用している。そのため、1つのコドンが複数のコドンと対になり、おそらく最適とは言えない翻訳機構を生み出す。絶対細胞内病原体が、より少ないtRNAとより少ないDNA修復酵素を保持することでなぜ利益を得るのかは不明である。^[15]

考慮すべきもう 1 つの要素は、絶対病原性生物への進化に対応する集団の変化です。このようなライフスタイルの変化は、宿主の数が限られているため、系統の遺伝的集団サイズの縮小につながることがよくあります。この遺伝的浮動により、有益な遺伝子を不活性化する突然変異が固定化されるか、遺伝子産物の効率が低下する可能性があります。したがって、役に立たない遺伝子が失われるだけでなく (細菌が宿主依存状態に落ち着くと突然変異によって遺伝子が破壊されるため)、遺伝的浮動によって効果のない浄化選択が強制されると、有益な遺伝子も失われる可能性があります。^[15]

普遍的に維持される遺伝子の数は少なく、独立した細胞の成長と複製には不十分であるため、小さなゲノム種は遺伝子を変化させることによってそのような偉業を達成しなければなりません。これは部分的には非相同遺伝子置換によって行われます。つまり、1つの遺伝子の役割が同じ機能を果たす別の遺伝子に置き換えられます。祖先のより大きなゲノム内の冗長性は排除されます。子孫の小さなゲノムの内容は、ゲノム縮小の初期段階で発生する染色体欠失の内容に依存します。^[15]

M. genitaliumの非常に小さなゲノムには不要な遺伝子が含まれています。トランスポゾンを介した突然変異誘発法を用いてこの生物の単一遺伝子を不活性化した研究では、484 個の ORG のうち少なくとも 129 個は成長に必要ありませんでした。したがって、 M. genitaliumよりもはるかに小さなゲノムが実現可能です。^[15]

ある理論では、細菌のゲノムが小さいのは、より速い複製を確保するためのゲノムサイズに対する選択圧によるものだと予測されている。この理論は、細菌のゲノムが小さいほど複製にかかる時間が短いという論理的前提に基づいている。その結果、適応度の向上により、より小さなゲノムが優先的に選択される。ミラらによる研究では、ゲノムサイズと倍加時間の間にはほとんど相関関係がないことが示された。^[16]このデータは、選択は細菌ゲノムの小さなサイズを適切に説明しないことを示す。それでも、多くの研究者は、細菌には小さなゲノムサイズを維持するための何らかの選択圧があると考えている。

選択は進化に関わる過程の1つに過ぎない。他の2つの主要な過程（突然変異と遺伝的浮動）が、様々な種類の細菌のゲノムサイズを説明できる。ミラらによる研究では、細菌の擬似遺伝子における挿入と欠失の大きさを調べた。結果によると、細菌では遺伝子転移や遺伝子重複がない場合、突然変異による欠失は挿入よりも大きくなる傾向がある。^{[16]水平または横方向の}遺伝子転移や遺伝子重複による挿入は、大量の遺伝物質の転移を伴う傾向がある。これらの過程がないと仮定すると、選択的制約がない場合、ゲノムのサイズは縮小する傾向がある。欠失バイアスの証拠は、自由生活細菌、通性および最近派生した寄生虫、絶対寄生虫および共生細菌のそれぞれのゲノムサイズに存在している。

自由生活細菌は、集団サイズが大きい傾向があり、遺伝子転移の機会が多くなります。そのため、選択は自由生活細菌に対して効果的に作用し、有害な配列を除去して、比較的少数の疑似遺伝子をもたらします。自由生活細菌は、宿主とは無関係にすべての遺伝子産物を生成しなければならないため、継続的にさらなる選択圧が明らかになります。遺伝子転移が発生する十分な機会があり、わずかに有害な欠失に対しても選択圧があることを考えると、自由生活細菌がすべての細菌タイプの中で最大の細菌ゲノムを持つはずであることは直感的にわかります。

最近形成された寄生虫は深刻なボトルネックを経験し、遺伝子産物の提供を宿主環境に頼ることができます。そのため、最近形成された通性寄生虫では、欠失に対する選択圧がないため、擬似遺伝子と転移因子が蓄積します。集団ボトルネックにより遺伝子伝達が減少し、欠失バイアスにより寄生細菌のゲノムサイズが縮小します。

絶対的寄生生物および共生生物は、欠失バイアスの影響が長期にわたるため、ゲノムサイズが最も小さい。特定のニッチを占めるように進化した寄生生物は、選択圧にあまりさらされない。そのため、遺伝的浮動がニッチ特異的な細菌の進化を左右する。欠失バイアスへの長期曝露により、ほとんどの不要な配列が確実に除去される。共生生物は大幅に少数しか存在せず、あらゆる細菌タイプの中で最も深刻なボトルネックを受ける。共生細菌には遺伝子転移の機会がほとんどないため、ゲノムの圧縮が極端になることがある。これまでに配列決定された細菌ゲノムの中で最も小さいものの1つは、共生細菌 Carsonella rudiiのゲノムである。^[17] Carsonella のゲノムは160 kbpで、これまでに調査されたゲノムの中で最も合理化された例の1つである。

分子系統学により、ゲノムサイズが2 Mb未満の細菌のすべての系統は、はるかに大きなゲノムを持つ祖先から派生したことが明らかになっており、細菌はゲノムの小さい祖先が連続的に倍増することで進化したという仮説は否定されています。 ^[18] Nilssonらによる最近の研究では、絶対細菌の細菌ゲノムの縮小率を調べました。細菌は、頻繁にボトルネックを導入して細胞を連続的に増殖させ、遺伝子転移を減らして共生細菌の条件を模倣しながら培養されました。データによると、世代時間が1日の細菌は、わずか50,000年（比較的短い進化期間）で1,000 kbpも失われると予測されました。さらに、メチル化DNAミスマッチ修復（MMR）システムに不可欠な遺伝子を削除した後、細菌ゲノムサイズの縮小率が50倍も増加することが示されました。^[19]これらの結果は、ゲノムサイズの縮小が比較的急速に起こり、特定の遺伝子の喪失が細菌ゲノムの圧縮プロセスを加速させる可能性があることを示している。

これは、すべての細菌ゲノムのサイズと複雑さが縮小していることを示唆するものではありません。多くの種類の細菌は祖先の状態からゲノムサイズが縮小していますが、祖先の状態よりもゲノムサイズを維持または増加している細菌も依然として多数存在します。^[8]自由生活細菌は、巨大な集団サイズ、速い世代時間、および比較的高い遺伝子転移の可能性を経験します。削除バイアスは不要な配列を削除する傾向がありますが、選択は自由生活細菌間で大幅に機能し、新しい遺伝子とプロセスの進化をもたらします。

既存の遺伝情報の改変を通じて主に進化する真核生物とは異なり、細菌は遺伝子の水平伝播によって遺伝的多様性の大部分を獲得した。これにより、DNAが染色体に導入されたり染色体から除去されたりする非常に動的なゲノムが作成される。^[20]

細菌の代謝特性、細胞構造、ライフスタイルは、点突然変異だけでは説明できないほど多様です。例えば、大腸菌とサルモネラ・エンテリカを区別する表現型特性は、点突然変異によるものではありません。逆に、水平遺伝子伝達が多くの細菌の多様化と種分化を促進したことを示す証拠があります。^[20]

水平遺伝子伝播は、DNA配列情報によって検出されることが多い。このメカニズムによって得られたDNA断片は、関連種間の狭い系統分布を明らかにすることが多い。さらに、これらの領域は、かなり異なると想定される分類群の遺伝子と予想外のレベルの類似性を示すことがある。^[20]

遺伝子比較や系統発生研究は水平遺伝子伝播の調査に役立ちますが、遺伝子の DNA 配列はゲノム内での遺伝子の起源と祖先についてさらに多くの情報を提供します。細菌種は全体的な GC 含有量が大きく異なりますが、いずれの種のゲノム内の遺伝子も、塩基組成、コドン使用パターン、およびジヌクレオチドとトリヌクレオチドの頻度に関してはほぼ同一です。その結果、水平伝播によって新たに獲得された配列は、ドナーの特性によって識別できます。たとえば、大腸菌には存在しないS. enterica遺伝子の多くは、染色体全体の 52% の GC 含有量とは異なる塩基組成を持っています。この種の中には、他の系統には存在しないメガベースを超える DNA を持つ系統もあります。これらの系統固有の配列の塩基組成は、これらの配列の少なくとも半分が水平伝播によって獲得されたことを示しています。さらに、水平方向に得られた遺伝子に隣接する領域には、転座因子の残骸、プラスミドの転移起点、またはファージインテグラーゼの既知の付着部位が存在することが多い。^[20]

いくつかの種では、水平伝播する遺伝子の大部分はプラスミド、ファージ、またはトランスポゾン関連の配列に由来する。^[20]

配列に基づく方法は細菌における水平遺伝子伝達の普及を明らかにするが、その結果は、このメカニズムの規模を過小評価する傾向がある。なぜなら、受容体と配列特性が類似しているドナーから得られた配列は検出されないからである。^[20]

完全に配列されたゲノムの比較により、細菌の染色体は祖先由来の配列と水平方向に獲得した配列の混合物であることが確認されている。超好熱性真正細菌のAquifex aeolicusとThermotoga maritima はそれぞれ、好熱性古細菌の相同遺伝子とタンパク質配列が類似する遺伝子を多数持っている。Thermotogaの1,877 ORF の 24%、Aquifex の1,512 ORF の 16% は古細菌のタンパク質と高い一致を示しているが、大腸菌や枯草菌などの中温菌では、古細菌の相同遺伝子に最も類似する遺伝子の割合ははるかに低い。^[20]

水平遺伝子伝達による新しい能力の発現には3つの条件がある。まず、ドナーDNAが受容細胞に受け入れられる経路が存在する必要がある。さらに、得られた配列はゲノムの残りの部分と統合されなければならない。最後に、統合された遺伝子は受容細菌に利益をもたらす必要がある。最初の2つのステップは、形質転換、形質導入、接合という3つのメカニズムによって達成できる。^[20]

形質転換には、環境から命名された DNA の取り込みが含まれます。形質転換を通じて、DNA は遠縁の生物間で伝達されます。インフルエンザ菌や淋菌などの一部の細菌種は、継続的に DNA を受け入れる能力を持っています。枯草菌や肺炎球菌などの他の種は、ライフサイクルの特定の段階に入ると、DNA を受け入れる能力を持ちます 。

N. gonorrhoeaeおよびH. influenzaeにおける形質転換は、受容体ゲノムに特定の認識配列 (それぞれ 5'-GCCGTCTGAA-3' および 5'-AAGTGCGGT-3') が見つかった場合にのみ有効です。特定の取り込み配列の存在により、関連種間の形質転換能力が向上しますが、B. subtilisやS. pneumoniaeなど、本質的に有能な細菌種の多くは、配列の優先性を示しません。

一般的な形質導入または特殊な形質導入を通じてドナー内で複製されたバクテリオファージによって、新しい遺伝子が細菌に導入されることがあります。1 回のイベントで伝達できる DNA の量は、ファージカプシドのサイズによって制限されます(ただし、上限は約 100 キロベースです)。環境中には多数のファージが存在しますが、形質導入できる微生物の範囲は、バクテリオファージによる受容体の認識に依存します。形質導入では、ドナー細胞と受容体細胞の両方が時間的にも空間的にも同時に存在する必要はありません。ファージにコードされたタンパク質は、受容体細胞質への DNA の転送を仲介し、DNA の染色体への組み込みを支援します。^[20]

接合はドナー細胞とレシピエント細胞間の物理的接触を伴い、細菌と酵母の間など、ドメイン間の遺伝子の転送を仲介することができます。DNA は、自己伝達性または可動性プラスミドによってドナーからレシピエントに伝達されます。接合は、染色体に組み込まれるプラスミドによって染色体配列の転送を仲介する場合があります。

細菌間で遺伝子伝達を媒介するメカニズムは数多くあるが、受け取られた配列が受容体内で安定的に維持されない限り、そのプロセスの成功は保証されない。DNAの統合は、多くのプロセスのうちの1つによって維持される。1つはエピソームとしての持続、もう1つは相同組換え、さらにもう1つは幸運な二本鎖切断修復による不法な組み込みである。^[20]

抗菌耐性遺伝子は、以前は致死的であった化合物の存在下でも生き残ることができるため、生物に生態学的地位を拡大する能力を与えます。細菌がこのような遺伝子を受け取ることで得られる利益は時間と空間に依存しないため、移動性の高い配列が選択されます。プラスミドは分類群間で非常に移動しやすく、細菌が抗生物質耐性遺伝子を獲得する最も一般的な方法です。

病原性ライフスタイルの採用は、生物の生態学的地位に根本的な変化をもたらすことが多い。病原性生物の不規則な系統分布は、細菌の毒性が、非毒性形態では欠落している遺伝子の存在または獲得の結果であることを示唆している。その証拠として、病原性赤痢菌とエルシニアにおける大きな「毒性」プラスミドの発見、および他の種の遺伝子への実験的曝露によって大腸菌に病原性を付与する能力が挙げられる。^[20]

2019年4月、ETHチューリッヒの科学者らは、 Caulobacter etensis-2.0と名付けられた世界初の細菌ゲノムが完全にコンピューターによって作成されたと報告したが、C. etensis-2.0に関連する生存可能な形態はまだ存在していない。^{[21] [22]}

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