糸状バクテリオファージ

イノウイルス科
影をつけた糸状バクテリオファージ（イノウイルス）の電子顕微鏡写真
ウイルスの分類
(ランク外):	ウイルス
領域:	モノドナビリア
王国：	ロブビラエ
門:	ホフネイビリコタ
クラス：	ファセルビリセテス
注文：	チューブラウイルス科
家族：	イノウイルス科
属
テキストを参照

糸状バクテリオファージは、細菌またはバクテリオファージに感染するウイルス（イノウイルス科）の一種です。糸状の形状、つまり直径約6 nm、長さ約1000～2000 nmの虫のような鎖（長くて細く、柔軟で、茹でたスパゲッティを思わせる）にちなんで名付けられました。^{[1] [2] [3] [4] [5]}この特徴的な形状は、複製方法を反映しています。ウイルス粒子の外殻は、ファージ組み立て中に宿主細菌の内膜に位置する5種類のウイルスタンパク質で構成され、これらのタンパク質は、膜から押し出された新生ウイルス粒子のDNAに付加されます。糸状ファージは単純なため、分子生物学の研究における魅力的なモデル生物であり、ナノテクノロジーや免疫学のツールとしても期待されています。

糸状バクテリオファージは、知られている生物の中で最も単純な生物の一つで、20世紀半ばにファージグループが研究した古典的な尾部バクテリオファージよりもはるかに少ない遺伝子を持っています。この科には29の定義された種が含まれており、23の属に分かれています。 ^{[6] [7]}しかし、機械学習アプローチを使用したゲノムおよびメタゲノムデータセットのマイニングにより、ほぼすべての生態系にわたるほぼすべての細菌門で10,295のイノウイルスのような配列が発見され、このウイルスグループは当初考えられていたよりもはるかに多様で広範囲に広がっていることが示されました。^[5]

1960年代初頭に3つの異なる研究グループによって3つの糸状バクテリオファージfd、f1、M13が単離され、特徴付けられましたが、これらは非常に類似しているため、国際ウイルス分類委員会（ICTV）によって認められているように、イノウイルス属のメンバーである「Ff」という共通名でグループ化されることもあります。^{[8] [9]} Ffファージの分子構造は、いくつかの物理的技術、特にX線繊維回折、^{[2] [6]}固体NMRおよびクライオ電子顕微鏡を使用して決定されました。^[10]ファージカプシドおよび他のいくつかのファージタンパク質の構造は、タンパク質データバンクから入手できます。^[6]一本鎖の Ff ファージ DNA はファージの中心核に沿って走っており、ファージ遺伝子 8 によってコード化された何千もの同一の α ヘリックス主要コートタンパク質サブユニットから構成される円筒形のタンパク質コートによって保護されています。遺伝子 8 タンパク質は、ファージ組み立ての初期段階で細胞膜に挿入されます。^[2]ファージのいくつかの株は、膜挿入を促進するために遺伝子 8 タンパク質に「リーダー配列」を持っていますが、他の株はリーダー配列を必要としないようです。ファージの両端は、宿主細菌の感染と新生ファージ粒子の組み立てに重要なタンパク質のコピーで覆われています。これらのタンパク質は、ファージの一方の端にあるファージ遺伝子 3 と 6、およびもう一方の端にあるファージ遺伝子 7 と 9 の産物です。繊維回折研究により、遺伝子 8 タンパク質の配置の詳細が異なる 2 つの構造クラスのファージが特定されました。クラス I には遺伝子 8 のコートタンパク質に関連する回転軸がありますが、クラス II ではこの回転軸がらせん軸に置き換えられています。この技術的な違いは、ファージ全体の構造にはほとんど目立った影響を与えませんが、独立した回折データの範囲は、クラス II の対称性の方がクラス I よりも広くなっています。これにより、クラス II ファージ Pf1 構造の決定、ひいてはクラス I 構造の決定が助けられました。^{[2] [6]}

構造クラス I には、イノウイルス属の fd、f1、M13 株のほか、If1 (ICTV の種Escherichia ウイルス If1、属Infulavirus ) ^[11]および IKe (ICTV の種Salmonella ウイルス IKe、属Lineavirus ) ^[12]株が含まれます。一方、クラス II には、Pf1 (ICTV の種Pseudomonas ウイルス Pf1 、属Primolicivirus ) ^{[13]株、および}おそらくPf3 (ICTV の種Pseudomonas ウイルス Pf3 、属Tertilicivirus ) ^[14] Pf4 [ ^{15 ]}およびPH75 ( NCBI が提案した種Thermus ファージ PH75、

fdファージ（イノウイルス属）から単離されたDNAは一本鎖で、位相的には環状である。つまり、DNA一本鎖はファージ粒子の一端から他端まで伸び、そして再び戻って環状を閉じるが、2本の鎖は塩基対を形成していない。このトポロジーは他のすべての糸状ファージにまで及ぶと想定されていたが、ファージPf4の場合はそうではなく、^[15]ファージ内のDNAは一本鎖だが位相的には直線であり、環状ではない。^[10] fdファージの組み立て中、ファージDNAはまず、ファージ遺伝子5の複製/組み立てタンパク質の多数のコピーとともに直線状の細胞内核タンパク質複合体にパッケージ化される。次に、新生ファージが細菌宿主を殺さずに細菌の細胞膜を越えて押し出されると、遺伝子5タンパク質は遺伝子8コートタンパク質に置き換えられる。^{[17] [18] [2] [19]このタンパク質は、} G四重鎖構造（ファージDNAには存在しないが）やファージDNA内の同様のヘアピン構造にも 高い親和性で結合する。 ^[20]

Ffファージ（イノウイルス属）のp1タンパク質は、膜でのファージの組み立てに必要であり、N末端部分が細胞質に、C末端部分がペリプラズムにある膜貫通疎水性ドメインを持っています（遺伝子8コートタンパク質の向きとは逆）。膜貫通ドメインの細胞質側に隣接しているのは、p8のC末端近くの塩基性残基のパターンとよく一致するが、配列に関しては反転している塩基性残基のパターンを持つp1の13残基配列です。この組み立てメカニズムにより、このファージは膜貫通タンパク質を研究するための貴重なシステムになります。^{[2] [21] [4]} ATPaseをコードする遺伝子1 ^[22]は、 （3つの追加の遺伝的特徴とともに）イノウイルス配列を自動的に検出するために使用された保存されたマーカー遺伝子です。^[5]

ウイルスの複製は細胞質内で起こる。宿主細胞への侵入は、ピルスを介した宿主細胞への吸着によって達成される。複製はssDNAローリングサークルモデルに従う。DNAテンプレート転写が転写の手段である。ウイルスはウイルスの押し出しによって宿主細胞から出る。^[23]ウイルスの組み立ては、膜に埋め込まれたモータータンパク質複合体によって媒介され、内膜で起こる（グラム陰性細菌の場合）。^[23]遺伝子1によってコードされるp1（コレラ菌ファージCTXΦの研究者によってZOT、ゾヌラオクルーデンス毒素と呼ばれる）を含むこの多量体組み立て複合体は、機能的かつ必須のウォーカーモチーフを含むATPaseであり^[22]、ファージフィラメントの組み立てにエネルギーを供給するATPの加水分解を媒介すると考えられている。Xanthomonas campestris由来の糸状ファージCf1t （NCBIの提案種であるXanthomonasファージCf1t、イノウイルス科内の不確定種、おそらくCfltと誤記されている）^[24]は、 1987年に宿主細菌ゲノムに組み込まれることが示され、その後もこのような温帯糸状ファージが報告されており、その多くが病原性に関与していることが示唆されている。^[1]

以下の属が認められている：^[7]

系統樹と系統群はイノウイルス科の分類学^[25]の研究にますます利用されるようになっている。^{[1] [3] [5] [26]}

メタゲノムデータに基づいて、この科は、アンプリノウイルス科、プロトイノウイルス科、フォチノウイルス科、ベスペルチリノウイルス科、デンシノウイルス科、パウリノウイルス科という新しい科に分割することが提案さ れているが、もちろんこれらはすべてチューブラウイルス目に属する。 ^[27]

• イノウイルス属、別名Ffファージ^{[8] [9]} – Fエピソームを保有する大腸菌に感染する。

• 大腸菌ウイルスM13種

• M13バクテリオファージ
• f1ファージ

• 種糸状バクテリオファージ fd (提案)

• fdファージ

• アフェルトコレラムウイルス属^[28]

• 種ビブリオウイルス CTXphi

• ビブリオファージ CTXphi (別名 CTXφ バクテリオファージ)

• インフラウイルス属) ^[11]

• 大腸菌ウイルスIf1種

• If1ファージ

• リネアウイルス属^[12]

• 種サルモネラウイルス IKe

• IKeファージ

• プリモリシウイルス属) ^[13]

• 種シュードモナスウイルス Pf1

• Pf1ファージ

• テルティリシウイルス属) ^[14]

• 種シュードモナスウイルス Pf3 —緑膿菌に感染するバクテリオファージ

• Pf3ファージ

さらに注目すべき提案種は次のとおりです。

• サーマスファージPH75種^[16]

• PH75ファージ

• キサントモナスファージCf1t（おそらくCfltと誤記）^[24]

• Cf1tファージ

電子顕微鏡写真に写っている糸状の粒子は、当初は細菌の線毛に混入していると誤って解釈されたが、柔軟な糸をほぼ半分に切断する超音波分解により^{[29]、糸状バクテリオファージの形態から予測されたとおり感染力が不活性化された。 [30]} 1960年代初頭、3つの異なる研究グループによって、fd、f1、M13という3つの糸状バクテリオファージが単離され、特徴づけられた。これら3つのファージのDNA配列の差は2%未満で、ゲノム全体でわずか数十のコドンの変化に相当するため、多くの目的で同一とみなすことができる。^[31]その後の半世紀にわたるさらなる独立した特徴づけは、これらの研究グループとその追随者の関心によって形作られた。^[2]

糸状ファージは、他のほとんどのファージとは異なり、宿主を殺すことなく細菌膜から継続的に押し出されます。^[19] David Prattと同僚によって開始された条件付き致死変異体を使用したM13の遺伝学的研究により、ファージ遺伝子の機能の説明が行われました。^{[32] [33]}注目すべきことに、子孫の一本鎖DNAの合成に必要な遺伝子5のタンパク質産物は、感染した細菌で大量に生成され、^{[34] [35] [36]}新生DNAに結合して線状の細胞内複合体を形成します。^[17]（Prattグループによって導入されたアラビア数字1、2、3、4...を使用した遺伝子の単純な番号付けは、ローマ数字I、II、III、IV...を使用する慣行に置き換えられることがあります。ただし、2つのシステムで定義される遺伝子番号は同じです）。

fdファージにはより長い（またはより短い）DNAを含めることができる。これは、DNAを保護するために必要に応じて組み立て中により多くの（またはより少ない）タンパク質サブユニットを追加できるため、ファージが遺伝学研究に便利になるからである。^{[37] [38]}ファージの長さは、ファージカプシドの内側表面の長さあたりの正電荷によっても影響を受ける。^[39] fdのゲノムは、配列決定された最初の完全なゲノムの1つであった。^[40]

糸状バクテリオファージの分類は、アンドレ・ルヴォフとポール・トゥルニエによって、イノファゴウイルス科、イノファゴウイルス属、イノファゴウイルス・バクテリイ種（ギリシャ語でイノスは繊維または糸を意味する）と定義され、ファージfd（ホフマン・ベルリン）が基準種とされた。^{[41] [42]}「ファゴウイルス」は同義語であり、科名はイノビリダエに、基準属はイノウイルスに変更された。この命名法は数十年にわたって存続したが、^{[9] M13が遺伝子操作に広く使用されるようになり、 [43] [44]}膜模倣環境におけるp8の研究に用いられるようになったため、基準種としてのfdの定義は置き換えられた。^[2]機械学習のアプローチにより、既知の糸状バクテリオファージの数は数倍に増加しており、「以前のイノウイルス科は、暫定的に6つの候補科と212の候補亜科に分割された目として再分類されるべきである」と示唆されている。^[5]ファージfd、f1、M13、およびその他の関連ファージは、俗称の概念を使用して、F特異的（Fエピソームを運ぶ大腸菌に感染する）糸状ファージのFfファージである。 ^[45]

免疫原性ペプチドを提示するように設計された糸状バクテリオファージは、免疫学や幅広い生物学的応用に有用である。^{[46] [47] [48] [49]}ジョージ・スミスとグレッグ・ウィンターは、ファージディスプレイに関する研究でf1とfdを使用し、2018年のノーベル化学賞を共同受賞した。アンジェラ・ベルチャーとその同僚は、特に材料科学の分野で、M13の多くの誘導体の作成と利用を広範囲の目的に利用してきた。^{[49] [50] [51] [52]}糸状バクテリオファージは、細菌細胞の周囲に液晶ドメイン^[53]を形成することで抗生物質耐性を促進することができる。^{[54] [10]}

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