二次染色体

細菌ゲノム学の初期の頃は、細菌のゲノムは比較的単純な構造をしていると考えられていました。既知の細菌はすべて、重要な遺伝子をすべて含む環状染色体を持っていました。一部の細菌は、プラスミドと呼ばれる追加のレプリコンを持っており、プラスミドは特徴的に小さく、環状で、必須ではない（つまり、必須ではない遺伝子のみをコードしている）ものでした。^{[ 9 ]}より多くの細菌とそのゲノムが研究されるにつれて、細菌のゲノム構造のさまざまな形態が発見され始めました。線状染色体と線状プラスミドが多くの種で発見されました。その後すぐに、複数の大きなレプリコンを持つ細菌が発見され、細菌は真核生物と同様に、複数の染色体で構成されるゲノムを持つことができるという見解につながりました。^{[ 9 ]}この最初の例は1989 年のRhodobacter sphaeroidesでしたが、 ^{[ 8 ]} 1993 年のBrucella melitensis 、 ^{[ 10 ]} 1994 年のBurkholderia cepacia complex 、 ^{[ 11 ]} 1995 年のRhizobium meliloti 、 ^{[ 12 ]} 1996 年のBacillus thuringiensis 、 ^{[ 13 ]}など、すぐに追加の発見が続き、現在では細菌種の約 10% が主染色体とは別の大きなレプリコンを持っていることが知られています。

これらの発見の始まりとともに、多部分ゲノムのさまざまな構成要素を分類するためのいくつかのアプローチが提案されました。 主染色体以外の大きなレプリコンを説明するためにさまざまな用語が使用されており、単に追加染色体、または「ミニ染色体」、「メガプラスミド」、「二次染色体」などと指定されています。 これらのレプリコンを区別するために使用される基準は、通常、サイズやコア遺伝子の存在などの特徴を中心にしています。^{[ 9 ]} 2010 年に、これらのゲノム要素をクロミドとして分類することが提案されました。 これらのレプリコンはプラスミドの複製システムを含んでいるため、染色体とは根本的に異なるクラスのレプリコンであるという観察から、「二次染色体」などの以前の用語は不十分であると考えられています。^{[ 14 ]}「クロミド」の元の定義には、次の 3 つの基準を満たすことが含まれます。^{[ 5 ]}

この定義は堅牢ではあるものの、それを提案した著者らは、クロミドと他のレプリコンとの境界を曖昧にする例外が見つかるだろうという予想を持っていた。このような予想は、進化系統が曖昧なシステムを生み出す一般的な傾向によるものであり、その結果、広く包括的な種の定義を策定する際のよりよく知られた問題が生じている。^{[ 5 ]}

クロミドの分類以来、クロミドといくつかの特徴を共有するものの、別に分類されている他のレプリコンが発見されている。その一例が、細菌属Aureimonas内のクレードに見られる「rrnプラスミド」である。rrnプラスミドはrrn （ rRNA ）オペロンを含み（そのためこの名前が付けられている）、rrnオペロンは主染色体には存在しない。そのため主染色体は「rrn欠損染色体」またはRLCと呼ばれ、 rrnプラスミドを持つAureimonas内の細菌クレードも「RLCクレード」と呼ばれる。RLCクレードのメンバーは9つのレプリコンを持ち、主染色体が最も大きく、rrnプラスミドはわずか9.4kbと最も小さい。rrnプラスミドはRLC細菌において高いコピー数を持つ。この非常に小さなサイズとコピー数は、クロミドよりもプラスミドに似ていますが、rrnプラスミドは依然としてrrnオペロンとtRNA(Ile)の遺伝子の唯一のコピーを持っています。この特徴的な集合により、このレプリコンを発見した科学者たちは、これを単にrrnプラスミドとして分類しました。これは、「プラスミド」または「クロミド」とは別の分類と考えられています。^{[ 15 ]}

特定のレプリコンをクロミドとして分類することに加えて、多くの科学者がクロミドの異なるタイプをさらに区別することを提案している。1つの分類では、一次クロミドと二次クロミドを区別している。一次クロミドは、あらゆる条件下で細菌の生存に常に必須となるコア遺伝子を含むクロミドとして定義される。二次クロミドは、細菌の本来の条件下での生存に必須であるが、実験室環境などの特定の「安全な」条件下では必須ではないクロミドとして定義される。二次クロミドは、一次クロミドと比較して、より最近の進化起源を持ち、プラスミドのような特徴をより多く保持している可能性がある。提案されている一次クロミドの例としては、Paracoccus denitrificans PD1222の「染色体II」が挙げられる。^{[ 6 ] [ 14 ]}

細菌ゲノムでは、主染色体が常に最大のレプリコンであり、次にクロミド、そしてプラスミドが続く。この傾向の例外として、Deinococcus deserti VCD115 が知られており、この種では両方のプラスミドがクロミドよりも大きい。^{[ 5 ]}

クロミドのサイズは生物によって大きく異なります。細菌属ビブリオでは、主染色体は 3.0 ～ 3.3 Mb であるのに対し、クロミドのサイズは 0.8 ～ 2.4 Mb です。^{[ 16 ]}コア遺伝子の一部をコードするブフネラ菌株のレプリコンはわずか 7.8kb です。^{[ 17 ]}コア遺伝子の存在によりこのレプリコンがクロミドとして分類される場合もありますが、特定の定義ではこのレプリコンが除外される場合もあります。一部のアプローチでは、特定のレプリコンが 350kb の閾値サイズを満たす場合にのみクロミドとして分類されます。また、クロミドは染色体やメガプラスミドと同様に、細胞内でのコピー数が少ない傾向があることも観察されています。平均して、クロミドはメガプラスミドの2倍の大きさである（そのため、メガプラスミドからクロミドが出現すると、変換後にかなりの遺伝子蓄積が生じる）。^{[ 6 ]}最大のクロミドの1つはBurkholderia pseudomalleiのもので、310万ヌクレオチド以上、つまり3.1メガベースまたは3.1 Mbである。^{[ 18 ]}

クロミドは、主染色体と比較してG + C含有量が低いことが多いが、この関連性の強さはそれほど強くない。クロミドは通常、主染色体のG + C含有量の1%以内のG + C含有量を持ち、これは、細菌系統内で必要な期間安定して存在した後、主染色体の塩基組成の平衡に近づいていることを反映している。クロミドは、コドン使用バイアスにおいても主染色体に似ている。^{[ 5 ] [ 19 ]}ある分析では、クロミドのGC含有量は主染色体と平均0.34%の差があり、メガプラスミドの1.9%、プラスミドの2.8%と比較して差が大きいことがわかった。^{[ 6 ]}

クロミドには、主染色体には存在しないコア遺伝子が少なくとも1つあります。（主染色体には細菌のコア遺伝子の大部分が含まれていますが、プラスミドにはコア遺伝子は含まれていません。）たとえば、ビブリオコレラ菌のクロミドには、リボソームサブユニットL20とL35の遺伝子が含まれています。^{[ 20 ]}ほとんどのクロミドは、rRNA遺伝子やrRNAオペロンの遺伝子など、主染色体と比較して必須遺伝子の数が不均衡に少ないですが、中には必須遺伝子がはるかに多く、染色体と「同等のパートナー」とみなされるものもあるかもしれません。^{[ 21 ]}一般的に、クロミドには、輸送、代謝、転写、調節機能、シグナル伝達、運動性関連機能のプロセスに関与する遺伝子が豊富に存在します。クロミド上に存在するタンパク質は、主染色体にコードされているタンパク質と相互作用するプロセスに関与しています。クロミドは染色体よりも多くのトランスポザーゼ遺伝子を持っているが、メガプラスミドよりは少ない。^{[ 6 ]}

コア遺伝子の存在により、クロミドは細菌の生存に不可欠となる。同じコア遺伝子は属内のクロミドには存在するが、属間では必ずしも存在しない。属内のすべてのクロミドは、属の表現型を定義するのに役立つ多数の保存された非必須遺伝子を共有することもある（そして、クロミドの出現は、ビブリオの場合に示唆されているように、クロミドをコードする細菌属の形成における主要な進化の力であると思われる^{[ 19 ]}）。対照的に、細菌染色体は、数百の保存されたコア遺伝子を普遍的またはほぼ普遍的に共有することがある。プラスミドにはコア遺伝子は含まれておらず、クロミドとは異なり、細菌属内の異なる種（あるいは同じ種内の異なる分離株）のプラスミドは、ほとんど遺伝子を共有しない。これは、プラスミドの獲得と喪失の一般的な伝達と、接合（水平遺伝子伝達の一形態）による細菌間の伝達が部分的に原因である一方、クロミドは細胞分裂（垂直）によって受け継がれ、クロミドが水平遺伝子伝達によって移動する証拠はない。^{[ 5 ]}少なくとも1つの細菌種では、クロミドを除去しても細菌が生存不能になることはなかったが、細菌は栄養要求性となり、クロミドの喪失に伴う深刻な適応度の低下を示したことが観察されている。^{[ 22 ]}

細菌属内で安定して存在するため、クロミドは系統発生的に特定の属に限定されるという特徴も持っています。クロミドを持つ細菌属の例としては、Deinococcus、Leptospira、Cyanothece （シアノバクテリアの一種）、およびPseudomonadota属の増加が挙げられます。全体として、細菌ゲノムのシーケンス解析によると、細菌種の約10%がクロミドを持っています。^{[ 5 ]}また、同じ生物内でクロミドとメガプラスミドが共存する傾向があることもわかっています。クロミドは、メガプラスミドがクロミドの推定上の進化上の起源であるにもかかわらず、系統樹においてメガプラスミドよりも頻繁に出現します（約2倍の種）。これは、クロミドの本来的に高い進化的安定性と比較して、生物が時間の経過とともにメガプラスミドを失う傾向があることにつながる可能性があります。^{[ 6 ]}

クロミドは、染色体とプラスミドの両方の複製の特徴を共有しています。まず、クロミドはプラスミドの複製システムを使用します。プラスミドは主染色体や細胞周期と協調して複製されませんが、^{[ 23 ]}クロミドは協調して複製され、細胞周期ごとに1回だけ複製されます。^{[ 24 ]}細菌属ビブリオでは、主染色体の複製はクロミドの複製より先に始まります。クロミドは染色体よりも小さいため、複製を完了するのにかかる時間が短くなります。このため、染色体とクロミド間の複製終了を協調させるために、クロミドの複製は遅延されます。^{[ 25 ]}クロミドと比較して染色体の複製が早いことは、Ensifer melilotiでも観察されています。^{[ 26 ]}細菌はまた、染色体とクロミド間の複製を開始するために異なる複製因子に依存しています。^{[ 27 ]}染色体の複製は、タンパク質DnaAの発現の刺激によって開始されますが、クロミド複製の発現には DnaA が必要ですが、RctB にも依存します。これは、DnaA にも依存するが、複製が他のタンパク質 (特に RepA と RepE) によって制御されている F1 および P プラスミドに似ています。^{[ 28 ]}クロミドの分離は、細菌の属によって異なるパターンに従いますが、通常は主染色体の分離後に起こります。^{[ 6 ]}

これまでのところ、クロミドは、repABCシステムまたはイテロンのいずれかの2種類のシステムで複製することが知られています。^{[ 1 ]}

いくつかの研究によると、細菌ではクロミドは染色体よりも保存性が低く、進化が速いことが示されている。ビブリオ属の多くの種を対象とした研究では、主要な大きな染色体は3～3.3 Mbの一定のサイズ範囲であったのに対し、二次染色体は0.8～2.4 Mbと柔軟に変化することがわかった。このかなりの変動は、構造的柔軟性が高いことを示している。アグロバクテリウム属や他の属の細菌は3つ以上のクロミドを持つことができ、いくつかの株のこれらの複数のクロミドは、あるクロミドのかなりの部分の一部を別のクロミドに転座させる大規模な再編成を一般的に受ける。^{[ 16 ]}クロミド上に位置する遺伝子は進化しやすく、浄化選択も少ない。原核生物の一般的な種定義はDNA配列または平均ヌクレオチド同一性に基づいているため、クロミドの進化可能性が高いと、クロミドを持つ生物は種分化の傾向が強くなる可能性がある。^{[ 29 ]}

クロミドの起源を説明するために、いくつかの提案がなされてきた。主な仮説は「分裂仮説」と「プラスミド仮説」の2つである。分裂仮説によれば、1つの大きな染色体の分裂によって2つの別々の細菌染色体が生じ、主染色体と二次染色体（またはクロミド）が生成される。しかし、クロミドにおけるプラスミド型の維持および複製システム、ならびに主染色体とクロミド間のコア遺伝子の不均一な分布のため、クロミドはコア遺伝子を獲得したメガプラスミドから進化したとするプラスミド仮説が広く受け入れられている。^{[ 19 ]}メガプラスミドが主染色体からコア遺伝子を獲得し、同時に主染色体からそれらのコア遺伝子が失われると、プラスミドは細菌ゲノムの安定した必須要素となる。 （メガプラスミドは、主染色体からコア遺伝子の複製コピーを獲得することもある。複製されたコア遺伝子は主染色体上で退化し、新たに形成されたクロミド上にのみ存在するようになる。この場合、クロミドは中立的な遷移によって形成される。）この事象は、新しいクロミド上に存在する他の遺伝子も安定化させ、その結果、新しい系統に特徴的な表現型が生じる可能性がある。これらのコア遺伝子は、いくつかの方法でメガプラスミドに伝達される。1つは、主染色体とプラスミド間の相同組換えである。既存のクロミドがプラスミドと組換えを起こして複製システムを獲得する可能性もある。クロミドが系統に出現すると、長い進化期間にわたって安定する。いくつかの細菌属は、それぞれの属に特徴的なクロミドを持っている。同一属に見られるクロミドは多数の遺伝子を普遍的に共有している可能性があるが、異なる属のクロミドに普遍的に見られる遺伝子はない。^{[ 5 ]}

プラスミドは、常にではないにしても、ほぼ常にクロミドの起源の源であるが、少なくとも2つの細菌株では、大きなレプリコンがより大きな染色体の分裂に由来する可能性がある。このような例外的なケースでは、「二次染色体」という用語を保持してそれらを説明し、この意味で「クロミド」と区別することができる。レプリコンを「二次染色体」として識別するには、保存されたシンテニーと、コア遺伝子が主染色体とランダムに分布していることを基準にすることができる。^{[ 6 ]}

クロミドの起源に関する疑問は、なぜクロミドが進化したのかという疑問と密接に関係している。一つの可能​​性として、クロミドは「凍結された偶然」であり、単に偶然に、特別な理由もなく進化し、そのため、出現した生物の子孫系統に存在するという可能性が挙げられる。このシナリオでは、コア遺伝子は偶然にクロミド上にたどり着くが、中立的な遷移によってコア遺伝子が二次レプリコン上に偶然固定されることで、生物にとって必須となる。しかし、クロミドは細菌が環境内で競争する上で有利になる利点ももたらす可能性がある。クロミドを持つ細菌は培養でより速く増殖することができ、また、かなり大きなゲノムを持つことが観察されている。クロミドをコードする細菌のゲノムの平均サイズは5.73 ± 1.66 Mbであるのに対し、クロミドをコードしない細菌のゲノムの平均サイズは3.38 ± 1.81 Mbである。このため、一部の研究者は、多数の遺伝子を主染色体ではなくクロミド上に配置することで、複製速度と効率を損なうことなくゲノムの拡大が可能になると結論付けている。^{[ 5 ]}一方、6 Mbを超える細菌ゲノムの3分の2は多部分構造ではなく、50個の最大ゲノムのうち多部分構造なのはわずか3つであるため、より大きなゲノムがクロミドの進化起源の理由として因果関係が証明されたことはまだない。クロミドは、急速に増殖する細菌にも頻繁に見られるため、複製と分裂速度への寄与が示唆されるが、ここでもいくつかの分析は、クロミド出現の原動力となる進化力としてのこの示唆に難点を提起している。むしろ、ゲノムの拡大と複製速度の速さが系統におけるクロミドの維持に関与している可能性は高いが、クロミド出現の因果関係の説明にはならない。^{[ 6 ]}クロミドは、ニッチ特異的遺伝子の協調的な発現も可能にする可能性がある。^{[ 30 ] [ 16 ]}特定の環境で有利な生活様式をもたらすのに必要な遺伝子を持つクロミドが、まれではあるがランダムに出現すると、そのクロミドを生物内で安定化させ、現在では重要なレプリコンの存在によって定義される新しい系統につながる上で重要な役割を果たす可能性がある。^{[ 31 ]}