細菌接合

細菌接合とは、細菌細胞間で直接細胞間接触または2つの細胞間の橋のような接続によって遺伝物質が伝達される現象である。 ^{[ 1 ]}これは通常、 IV型分泌系、すなわち線毛の一種を介して起こる。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}これは細菌における準性生殖様式である。

これは、形質転換や形質導入と同様に水平遺伝子伝達のメカニズムであるが、これら2つのメカニズムは細胞間の接触を伴わない。^{[ 6 ]}

古典的な大腸菌の接合は、遺伝物質の交換を伴うため、細菌における有性生殖または交配に相当するものとみなされることが多い。しかし、配偶子の交換は起こらず、新しい生物が生成されるわけでもないため、有性生殖ではない。代わりに、既存の生物が形質転換される。古典的な大腸菌の接合では、供与細胞が接合性または可動性の遺伝要素を提供する。これは多くの場合、プラスミドまたはトランスポゾンである。^{[ 7 ]}ほとんどの接合性プラスミドには、受容細胞がすでに同様の要素を保有していないことを保証するシステムがある。

伝達される遺伝情報は、多くの場合、受容者にとって有益である。利点としては、抗生物質耐性、異物耐性、または新しい代謝産物を利用する能力などが挙げられる。^{[ 1 ]}他の要素は有害となる可能性があり、細菌寄生体とみなされることもある。

大腸菌における自然発生的接合形成による接合^{[ 8 ]}およびマイコバクテリウム・スメグマティスにおける分配的接合伝達による接合^{[ 9 ] [ 10 ]}は、よりよく研究されている古典的な大腸菌の接合とは異なり、これらのケースでは親ゲノムの大幅な混合が伴います。

このプロセスは1946年にジョシュア・レダーバーグとエドワード・テイタム^{[ 11 ]}によって発見された。

共役図

1. ドナー細胞は線毛（通常はIV型分泌系）を産生し、必要な遺伝子は接合プラスミドから発現される。
2. ピルスは受容細胞に付着し、2つの細胞を結合させる。
3. 可動性プラスミドにニックが加えられ、一本鎖DNAが受容細胞に転移される。
4. 両方の細胞は相補鎖を合成して二本鎖環状プラスミドを生成し、さらに線毛も複製します。両方の細胞は接合プラスミドの供与体として生存可能になります。^{[ 1 ]}

F因子は、長さ約100kbのエピソーム（相同組換えによって細菌染色体に組み込まれることができるプラスミド）です。これは接合型プラスミドの典型的な例です。F因子は、独自の複製起点（ oriV）と伝達起点（oriT）を持っています。^{[ 7 ]}特定の細菌には、遊離または組み込みのいずれかで、Fプラスミドのコピーが1つしか存在できず、コピーを持つ細菌はF陽性またはFプラス（F ^{+と表記）と呼ばれます。Fプラスミドを持たない細胞は}F陰性またはFマイナス（F- ^）と呼ばれ、そのため受容細胞として機能します。

Fプラスミドには、他の遺伝情報に加えて、traおよびtrb遺伝子座が含まれており、これらは合わせて約33kbの長さで、約40個の遺伝子から構成されています。tra遺伝子座には、ピリン遺伝子と調節遺伝子が含まれており、これらが一緒に細胞表面にピリを形成します。この遺伝子座には、 ^F−細菌の表面に付着して接合を開始するタンパク質の遺伝子も含まれています。接合の正確なメカニズムについては議論がありますが、ピリがDNA交換が行われる構造であると考えられています。Fピリは機械的および熱化学的ストレスに対して非常に耐性があり、さまざまな環境で接合が成功することを保証します。^{[ 12 ]} traまたはtrb遺伝子座でコードされるいくつかのタンパク質は、細菌間にチャネルを開くようで、ピリの基部に位置するTraD酵素が膜融合を開始すると考えられています。

シグナルによって接合が開始されると、リラクターゼ酵素が接合プラスミドの一方の鎖のoriTにニックを作成します。リラクターゼは単独で機能することも、リラキソソームとして総称される12以上のタンパク質の複合体として機能することもできます。Fプラスミドシステムでは、リラクターゼ酵素はTraIと呼ばれ、リラキソソームはTraI、TraY、TraM、および統合された宿主因子IHFで構成されています。ニックの入った鎖、つまりT鎖は、切断されていない鎖からほどかれ、5'末端から3'末端の方向に受容細胞に転送されます。この鎖は、ピルスを介して受容細胞に転送されると考えられています。^{[ 13 ]}残りの鎖は、接合作用とは独立して（ oriVから始まる栄養複製）または接合と協調して（ラムダファージのローリングサークル複製に似た接合複製）複製されます。接合複製では、正常な伝達が起こる前に2回目の切断が必要になる場合がある。最近の報告では、この2回目の切断イベントの中間段階を模倣する化学物質で接合を阻害したと主張している。^{[ 14 ]}

伝達される F プラスミドが既にドナーのゲノムに組み込まれている場合 (Hfr 株 [「高頻度組換え」] を生成している場合)、ドナーの染色体 DNA の一部もプラスミド DNA と共に伝達される可能性があります。^{[ 6 ]}伝達される染色体 DNA の量は、接合する 2 つの細菌が接触している時間によって異なります。一般的な実験室株のE. coliでは、細菌の染色体全体が伝達されるのに約 100 分かかります。伝達された DNA は、相同組換えによって受容菌のゲノムに組み込まれます。

非組み込み型Fプラスミドを持つ細胞を含む細胞培養では、通常、組み込み型プラスミドを持つ細胞も少数含まれています。このような培養で起こる低頻度の染色体遺伝子伝達は、これらの細胞によって引き起こされます。組み込み型Fプラスミドを持つ細菌株は分離して純粋培養することができます。このような株は染色体遺伝子を非常に効率的に伝達するため、Hfr（高頻度組換え）と呼ばれます。大腸菌ゲノムは、接合過程にある様々なHfr細胞を100分以内に受容体から切り離す（最初はワーリングブレンダーを使用）中断接合実験によって最初にマッピングされました。その後、伝達された遺伝子が調査されました。^{[ 16 ]}

Fプラスミドが大腸菌染色体に組み込まれることはまれな自然発生であり、DNA転移を促進する多数の遺伝子は細菌ゲノムではなくプラスミドゲノムにあるため、大腸菌Hfrシステムで起こるような接合による細菌遺伝子転移は、細菌宿主の進化的な適応ではなく、真核生物の有性生殖の祖先である可能性も低いと主張されている。^{[ 17 ]}

大腸菌における自然発生的な接合形成

上記で説明した大腸菌の古典的な細菌接合に加えて、大腸菌の特定の株では、自発的接合形成（略してZ接合）と呼ばれる接合形態が観察される。^{[ 8 ]} Z接合では完全な遺伝子混合が起こり、不安定な二倍体が形成され、表現型的に一倍体の細胞が放出される。これらの細胞の中には親の表現型を示すものと、真の組換え体となるものがある。

Mycobacterium smegmatisの接合は、 E. coliの接合と同様に、ドナー株とレシピエント株の間で安定した長時間の接触が必要であり、DNase 耐性があり、転移した DNA は相同組換えによってレシピエント染色体に組み込まれます。ただし、E. coli のHfr 接合とは異なり、マイコバクテリアの接合はプラスミドではなく染色体に基づいています。^{[ 9 ] [ 10 ]}さらに、E. coli のHfr 接合とは対照的に、M. smegmatisでは染色体のすべての領域が同程度の効率で転移されます。ドナーセグメントの長さは大きく異なりますが、平均長は 44.2kb です。平均 13 のトラクトが転移されるため、ゲノムあたりの平均転移 DNA の総量は 575kb です。^{[ 10 ]}このプロセスは「分配型接合転移」と呼ばれます。^{[ 9 ] [ 10 ]} Grayら^{[ 9 ]}は、接合の結果として親ゲノムの大幅な混合を発見し、この混合は有性生殖の減数分裂産物に見られるものと似ていると考えた。

超好熱性古細菌は、細菌の接合性線毛と構造的に類似した線毛をコードしている。^{[ 18 ]}しかし、接合装置が通常、プラスミドやトランスポゾンなどの可動遺伝因子の伝達を媒介する細菌とは異なり、Ced（Crenarchaeal system for exchange of DNA）^{[ 19 ]}およびTed（Thermoproteales system for exchange of DNA）^{[ 18 ]}と呼ばれる超好熱性古細菌の接合機構は、同種のメンバー間での細胞DNAの伝達を担っているようである。これらの古細菌では、接合機構は可動遺伝因子の拡散ではなく相同組換えによるDNA修復を促進するために完全に家畜化されていると考えられている。^{[ 18 ]} VirB2様接合線毛に加えて、CedおよびTedシステムには、VirB6様膜貫通接合孔およびVirB4様ATPaseの構成要素が含まれている。^{[ 18 ]}

窒素固定細菌であるリゾビウム属細菌は、異界接合の興味深い例である。^{[ 20 ]}例えば、アグロバクテリウム属細菌の腫瘍誘発（Ti）プラスミドとA. rhizogenesの根腫瘍誘発（Ri）プラスミドには、植物細胞に転移可能な遺伝子が含まれている。これらの遺伝子の発現により、植物細胞はオピン産生工場へと効果的に変化する。オピンは細菌によって窒素源およびエネルギー源として利用される。感染した細胞は根頭がんまたは根腫瘍を形成する。したがって、TiおよびRiプラスミドは細菌の内部共生体であり、細菌は感染した植物の内部共生体（または寄生体）である。^{[ 21 ]}

TiおよびRiプラスミドは、異種間伝達に使用されるシステム（vir 、または病原性オペロン）とは異なり独立したシステム（tra、または伝達オペロン）を使用して細菌間で伝達されることもあります。このような伝達により、以前は非病原性であった株から病原性株が作られます。^{[ 22 ]}

接合は、さまざまな標的に遺伝物質を移すための便利な手段です。実験室では、細菌から酵母^{[ 23 ]}、植物、哺乳類細胞^{[ 24 ] [ 25 ]} 、珪藻^{[ 26 ]}、単離された哺乳類ミトコンドリア^{[ 27 ]}への移送が成功していることが報告されています。接合は、標的の細胞膜の破壊が最小限であることや、比較的大きな遺伝物質を移送できることなど、他の形態の遺伝子移送よりも利点があります（大腸菌染色体移送に関する上記の議論を参照）。植物工学では、アグロバクテリウム様接合は、タバコモザイクウイルス（TMV）などの他の標準的なベクターを補完します。TMVは多くの植物科に感染できますが、これらは主に草本双子葉植物です。アグロバクテリウム様接合も主に双子葉植物に使用されますが、単子葉植物の受容者も珍しくありません。^{[ 28 ]}

• 変換
• 形質導入
• 藻類と繊毛虫における有性接合
• トランスフェクション
• 三親交配
• 接合子誘導

• 細菌接合（Flashアニメーション）