二相性成長

ジオーキシー成長、ジオキシ、または二相性成長は、2つの段階で細胞が成長することを特徴とする細胞成長です。二重成長を意味するジオーキシー成長は、培養成長培地上に2つの糖が存在することによって引き起こされ、そのうちの1つは標的細菌にとって代謝しやすいものです。優先される糖が最初に消費され、それが急速な成長につながり、その後に誘導期が続きます。^[1]誘導期には、2番目の糖を代謝するために使用される細胞機構が活性化され、続いて2番目の糖が代謝されます。

これは、密閉バッチ培養中の細菌が栄養素のほとんどを消費し、定常期に入っているときに、突然新しい栄養素が増殖培地に追加されたときにも発生します。細菌は、餌を摂取しようとするラグ期に入ります。餌が利用され始めると、細菌は新しい対数期に入り、増殖曲線に 2 番目のピークを示します。

ジャック・モノーは、1941 年に大腸菌と枯草菌の実験中に二相性増殖を発見しました。モノーは博士論文研究中にさまざまな糖の組み合わせでこれらの細菌を増殖させたところ、図 1 に示すように、バッチ培養では 2 つの異なる増殖段階がはっきりと見られることが多いことに気づきました。

最初の段階では、細胞は成長を早めることができる糖 (多くの場合はグルコースですが、常にそうとは限りません) を優先的に代謝します。最初の糖が使い果たされた後にのみ、細胞は 2 番目の糖に切り替わります。「ジオーキシック シフト」の時点では、細胞が2 番目の糖を代謝するために必要な酵素を生成する遅延期間がしばしば存在します。

モノーは後に、二相性成長に関する研究を中断し、遺伝子発現のラックオペロンモデルに焦点を当て、ノーベル賞を受賞しました。

ジオキシーは、生物がオペロンまたは複数の遺伝子セットを使用して、遭遇するさまざまな栄養素や糖を代謝するために必要な酵素の発現を個別に制御するために発生します。生物が、より遅い成長速度しかサポートできない糖を代謝するために必要な酵素を合成するためにエネルギーやその他のリソース（アミノ酸など）を割り当て、より速い成長速度を提供する別の糖を代謝する酵素を合成するために利用可能なリソースのすべてまたはほとんどを使用しない場合、そのような生物は、より速い成長をサポートする糖で成長することを選択した生物と比較して、生殖的に不利になります。進化を通じて、生物は、最も速い成長速度をもたらす遺伝子のみを発現するように、遺伝子制御メカニズムを調整する能力を開発しました。たとえば、グルコースとマルトースの両方が存在する環境で増殖すると、ラクトコッカス ラクティスは最初にグルコースを代謝する酵素を生成し、グルコースの供給が枯渇した後にのみマルトースを使用するように遺伝子発現を変更します。

十分な通気のあるブドウ糖で生育するパン酵母やビール酵母のサッカロミセス・セレビシエの場合、バッチ培養ではジオーキシ成長パターンが一般的に観察される。最初の成長段階では、十分なブドウ糖と酸素が利用できるため、酵母細胞は好気呼吸よりもブドウ糖発酵を好み、 この現象は好気 発酵と呼ばれる。好気呼吸はブドウ糖で生育するためのエネルギー効率の良い経路のように思えるかもしれないが、ブドウ糖中の炭素のほとんどが新しいアミノ酸や脂肪酸に組み込まれるのではなく二酸化炭素に酸化されるため、実際にはバイオマスを増やす方法としてはかなり非効率的である。より一般的に引用されるパスツール効果とは対照的に、この現象は増殖の速い腫瘍で観察される ワールブルク効果に近い。

細胞内の遺伝子調節機構は、この選択を強制するように進化してきました。発酵は、異化を促進するグルコースの好気呼吸よりも酵母細胞の同化成長速度が速いためです。グルコースが枯渇した後、酸素が利用可能であれば、発酵産物のエタノールは、著しく遅い第 2 成長段階で酸化されます。

1940年代、モノーは単一の酵素がさまざまな糖の代謝に適応できるという仮説を立てた。これが誤りであることを示すのにさらに15年の研究が必要だった。大腸菌のlacオペロンに関する研究中に、ジョシュア・レーダーバーグはβ-ガラクトシダーゼを単離し、ラクトースで育ったコロニーでは他の糖に比べてこの酵素が多く含まれていることを発見した。その後、パスツール研究所のモノー研究室のメルビン・コーンは、 β-ガラクトシドが酵素活性を誘導することを発見した。こうして、酵素適応の考え方は酵素誘導の概念に置き換えられた。酵素誘導では、分子が遺伝子またはオペロンの発現を誘導するが、多くの場合、リプレッサータンパク質に結合してオペレーターへの付着を防ぐことによって誘導する。^[2]

細菌のグルコース代謝からラクトース代謝へのジオーキシーシフトの場合、提案されたメカニズムでは、グルコースが最初に酵素アデニル酸シクラーゼのサイクリックAMP (cAMP)合成能力を阻害することが示唆されています。次に、cAMP はカタボライト活性化タンパク質(CAP) が DNA に結合し、ラクトース代謝に必要な遺伝子を含む lac オペロンの転写を活性化するために必要です。ラクトースの代謝産物であるアロラクトースの存在は、ラクトースが存在するまで lac オペロンの転写を阻害するlac リプレッサーの活性を通じて感知されます。したがって、グルコースが存在すると cAMP レベルは低いままなので、ラクトースの有無に関係なく、CAP は lac オペロンの転写を活性化できません。グルコース供給が枯渇するとcAMPレベルが上昇し、CAPはラクトース（存在する場合）を含む他の食物源の代謝に必要な遺伝子を活性化できるようになります。^[3]

しかし、最近の研究では、グルコースとラクトースの成長条件下でcAMPレベルが同一のままであるため、この場合にはcAMPモデルは正しくないことが示唆されており、大腸菌におけるラクトース-グルコース二相性は主に誘導因子排除によって引き起こされる可能性があることを示唆する別のモデルが提案されています。^[4] このモデルでは、EIIA ^Glcを介したグルコース輸送は、グルコースが細胞内に輸送される際にラクトースパーミアーゼを停止させるため、ラクトースは細胞内に輸送されず、使用されません。cAMP/CAPメカニズムはグルコース/ラクトース二相性では役割を果たさないかもしれませんが、他の二相性では示唆されるメカニズムです。

二相性成長曲線とは、2 つの成長ピークを持つ生物によって生成される成長曲線を指します。二相性成長曲線の理論は、 1940 年のジャック・モノ博士の研究に由来しています。

簡単な例として、最もよく理解されている細菌である大腸菌（E. coli）が挙げられます。細菌は、2 種類の糖（一方は他方よりも代謝しやすい糖、たとえばグルコースとラクトース）を含む培地で増殖します。まず 、細菌はグルコースをすべて代謝し、より高速に増殖します。最終的に、グルコースがすべて消費されると、細菌はラクトースを代謝するための遺伝子を発現するプロセスを開始します。これは、培地中のグルコースがすべて消費された場合にのみ発生します。これらの理由から、ジオーキシ増殖は複数の段階で発生します。

最初の段階は、細菌が（上記の例の場合）グルコースのみを消費し、急速に増殖することができるため、急速増殖段階です。2 番目の段階は、ラクトース代謝に使用される遺伝子が発現し、観察可能な細胞増殖が停止するラグ段階です。その後に、ラクトースを主なエネルギー源として使用するため、最初の段階よりも遅い別の増殖段階が続きます。最終段階は飽和段階です。このプロセスは、lac オペロンの正の制御を指す場合もあります。