溶原サイクル

溶原性または溶原サイクルは、ウイルスの増殖の2つのサイクルのうちの1つです（もう1つは溶菌サイクルです）。溶原性は、バクテリオファージの核酸が宿主細菌のゲノムに組み込まれるか、細菌の細胞質に環状レプリコンが形成されることによって特徴付けられます。この状態では、細菌は正常に生存および増殖を続けますが、バクテリオファージは宿主細胞内で休眠状態にあります。バクテリオファージの遺伝物質はプロファージと呼ばれ、その後の細胞分裂のたびに娘細胞に伝達され、その後のイベント（紫外線や特定の化学物質の存在など）によってそれが放出され、溶菌サイクルを介して新しいファージの増殖を引き起こします。^[1]

溶原性サイクルは真核生物でも発生する可能性があるが、DNAの組み込み方法は完全には解明されていない。例えば、HIVウイルスは溶菌的にヒトに感染するか、感染細胞のゲノムの一部として休眠状態（溶原性）になり、後で再び溶菌状態に戻る能力を保持する。^[2]

溶原性サイクルと溶菌性サイクルの違いは、溶原性サイクルではウイルス DNA の拡散が通常の原核生物の複製によって起こるのに対し、溶菌性サイクルはより即時的で、ウイルスの多数のコピーが非常に速く生成され、細胞が破壊されるという点です。溶菌性サイクルと溶原性サイクルの重要な違いの 1 つは、後者は宿主細胞をすぐに溶解しないことです。^[3]溶菌性サイクルのみで複製するファージは毒性ファージと呼ばれ、溶菌性サイクルと溶原性サイクルの両方を使用して複製するファージは温和性ファージと呼ばれます。^[1]

溶原性サイクルでは、ファージDNAが最初に細菌染色体に組み込まれてプロファージを生成します。細菌が繁殖すると、プロファージもコピーされ、各娘細胞に存在します。娘細胞はプロファージが存在する状態で複製を続けることも、プロファージが細菌染色体から出て溶菌サイクルを開始することもできます。^[1]溶原性サイクルでは宿主DNAは加水分解されませんが、溶菌サイクルでは宿主DNAは溶菌期に加水分解されます。

バクテリオファージは細菌に感染し、細菌内で増殖するウイルスです。温和なファージ（ラムダファージなど）は溶菌サイクルと溶原サイクルの両方を使用して増殖することができます。^[4]

ファージがどのサイクルに入るかを決定する方法は、さまざまな要因によって異なります。^[5]たとえば、感染している他のファージが複数ある場合 (または多重度が高い場合)、ファージは溶原性サイクルを使用する可能性が高くなります。これは、全体的なファージ対宿主比を下げるのに役立つ可能性があり、ファージが宿主を殺すのを防ぎ、それによってファージの生存の可能性を高め、これを自然選択の一形態にします。ファージは、紫外線や化学物質などの DNA 損傷因子にさらされると、染色体から出て溶原性サイクルに入ることを決定する場合があります。温度、pH、浸透圧、低栄養濃度など、温度を一定に保つ可能性のある他の要因があります。^[6]ただし、ファージは自発的に溶原性サイクルに再び入ることもあります。単一細胞感染の 80～90% で、ファージは溶原性サイクルに入ります。残りの10〜20％では、ファージは溶菌サイクルに入ります。^[要出典]

細菌プレート培養におけるプラークの形態を観察することで、ファージがどのサイクルに入っているかを検出できる場合があります。^[7]一般的に、より透明なプラークはより効率的な溶解を示し、曇ったまたは濁ったプラークは溶解の効率が低いことを示します。濁ったプラークは、ファージが溶原性サイクルを通過できることを示している可能性がありますが、プラークが濁って見える理由は他にもあります。

溶原性サイクルから放出されたファージを検出する方法には、電子顕微鏡、DNA抽出、または感受性株での増殖などがある。^[6]

溶原性サイクルでは、バクテリオファージのゲノムは発現せず、代わりに細菌のゲノムに組み込まれてプロファージを形成する。^[8]不活性型のプロファージは、宿主細胞が分裂するたびに受け継がれる。プロファージが活性化すると、細菌の染色体から出て溶菌サイクルに入り、DNAコピー、タンパク質合成、ファージ組み立て、溶解を受ける。^[5] バクテリオファージの遺伝情報はプロファージとして細菌の遺伝情報に組み込まれるため、バクテリオファージは細菌が分裂して娘細菌細胞を形成するときに受動的に複製される。^{[8]このシナリオでは、娘細菌細胞はプロファージを含み、}溶原菌と呼ばれる。溶原菌は溶原サイクルに何世代にもわたって留まることができるが、誘導と呼ばれるプロセスを介していつでも溶菌サイクルに切り替えることができる。^[8]誘導過程において、プロファージDNAは細菌ゲノムから切り出され、転写・翻訳されてウイルスのコートタンパク質を作り、溶解性増殖を調節する。^[8]

溶原性サイクルを有利に利用するウイルスの例としては、単純ヘルペスウイルスが挙げられます。^[10]最初に溶原性サイクルに入り、ヒト宿主に感染した後、溶原性サイクルに入ります。これにより、ウイルスは神経系の感覚ニューロンに移動し、長期間検出されないままでいることができます。性器ヘルペスの場合、潜伏期は腰仙部後根神経節、脊髄神経ニューロンで確立されます。^[11]ヘルペスウイルスはその後、この休眠段階を終了し、溶原性サイクルに再び入り、病気の症状を引き起こします。したがって、ヘルペスウイルスは溶原性サイクルと溶原性サイクルの両方に入ることができますが、潜伏期によりウイルスは生き残り、ウイルス遺伝子の発現が低いため免疫システムによる検出を回避できます。

溶原性を研究するためのモデル生物はラムダファージである。プロファージの組み込み（相同組換えとも呼ばれる）、溶原性の維持、誘導、および誘導におけるファージゲノム切除の制御については、ラムダファージの記事で詳しく説明されている。^[12]

バクテリオファージは宿主に感染し、細菌の機構を利用して複製し、最終的に細菌を溶解するため、寄生性である。温和ファージは溶原性サイクルを通じて宿主に利点と欠点の両方をもたらす可能性がある。溶原性サイクル中、ウイルスゲノムはプロファージとして組み込まれ、リプレッサーがウイルスの複製を防ぐ。それにもかかわらず、温和ファージは抑制を逃れて複製し、ウイルス粒子を生成し、細菌を溶解することができる。^[13]抑制を逃れた温和ファージは細菌にとって不利となる。一方、プロファージは宿主の毒性と免疫系への抵抗性を高める遺伝子を伝達する可能性がある。また、プロファージによって生成されるリプレッサーはプロファージ遺伝子の発現を阻止し、宿主細菌に関連ウイルスによる溶菌感染に対する免疫を与える。^[13]

もう一つのシステムであるアルビトリウムは、最近、いくつかのバチルス属に感染するバクテリオファージについて記述されており、このシステムでは、溶解と溶原性の決定がペプチド因子によって細菌間で伝達される。^{[14] [15]}

溶原性ファージと細菌との相互作用によっては、溶原性転換が起こることがあり、これはファージ転換とも呼ばれる。これは、温和性ファージが感染細菌の表現型に通常のファージサイクルの一部ではない変化を誘発する場合である。変化は、他のファージを通さないようにしたり、細菌の宿主に対する病原性能力を高めたりすることで、細胞の外膜に影響を及ぼすことが多い。このように、温和性バクテリオファージは、細菌間での外毒素や外酵素などの毒性因子の拡散にも関与している。この変化は、感染細菌のゲノム内に残り、娘細胞にコピーされて受け継がれる。

溶原性転換により、炭疽菌でバイオフィルムの形成が可能になることが示されている。^{[16]すべてのファージを除去した}炭疽菌株は、表面に付着した細菌群集であるバイオフィルムを形成できなかった。バイオフィルムは、細菌が栄養素にアクセスしやすくし、環境ストレスに耐えることを可能にする。 [17]炭疽菌でのバイオフィルム形成に加えて、枯草菌、バチルス・チューリンゲンシス、およびセレウス菌の溶原性転換により、胞子形成の速度または程度が向上することが示された。^[16]胞子形成により胞子が生成され、これは細菌の代謝的に休眠状態にある形態で、温度、電離放射線、乾燥、抗生物質、および消毒剤に対して非常に耐性がある。^[16]

非毒性細菌も、溶原性プロファージに運ばれる毒性因子によって溶原性転換し、毒性の強い病原体に変化することが明らかになっています。^{[18]プロファージ内に運ばれる毒性遺伝子は、}モロンと呼ばれる独立した自律的な遺伝要素として、細菌に利点を与え、溶原体生存率の向上を通じて間接的にウイルスに利益をもたらします。^[16]

例:

• ジフテリア菌はβファージに感染した場合にのみジフテリア毒素を産生する。この場合、毒素をコードする遺伝子は細菌ではなくファージによって運ばれる。 ^[19]
• コレラ菌は無毒の菌株ですが、CTXφファージに感染すると毒性を帯び、コレラ毒素を産生します。
• 赤痢を引き起こすShigella dysenteriae は、 Stx1 と Stx2 という 2 つの主要なグループに分類される毒素を持っており、その遺伝子はラムダプロファージのゲノムの一部であると考えられています。
• 化膿連鎖球菌は、溶原性変換によって得られる発熱性外毒素を産生し、発熱と真っ赤な発疹、猩紅熱を引き起こします。
• ボツリヌス中毒を引き起こすボツリヌス菌の特定の株は、ファージによって形質導入された遺伝子からボツリヌス毒素を発現します。

生体内の誘導因子を排除することでプロファージ誘導（溶菌サイクルから溶原サイクルへの移行）を阻害し、特定の細菌感染症と戦う戦略が提案されている。^[18]過酸化水素などの活性酸素種（ROS）は強力な酸化剤で、フリーラジカルに分解して細菌のDNAに損傷を与え、プロファージ誘導につながる。 ^[18]プロファージ誘導に対抗する可能性のある戦略の1つは、フリーラジカル中間体を除去できる強力な抗酸化物質であるグルタチオンを使用することである。^[18]プロファージ誘導はCIリプレッサーの濃度が低すぎる場合にのみ発生するため、CIリプレッサーの過剰発現を引き起こすことも考えられる。^[18]