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微生物学、遺伝学、細胞生物学、分子生物学において、コンピテンスとは、細胞が環境から細胞外DNAを取り込むことで遺伝子を変化させる能力であり、この過程は形質転換と呼ばれる。コンピテンスは、自然コンピテンスと誘導コンピテンス（または人工コンピテンス）に区別される。自然コンピテンスは、細菌が自然環境下でも実験室環境下でも発揮する遺伝的に規定された能力である。人工コンピテンスは、実験室培養中の細胞を一時的にDNA透過性にするように処理することで生じる。コンピテンスによって、細胞は迅速に適応し、DNA修復を行うことができる。
自然形質転換能は、1928年にフレデリック・グリフィスによって発見されました。彼は、病原性細菌の死滅細胞の調製物に、関連する非病原性細胞を病原性に変化させる物質が含まれていることを示しました。[ 1 ] [ 2 ] 1944年にオズワルド・エイブリー、コリン・マクラウド、マクリン・マッカーティは、この「形質転換因子」が純粋なDNAであることを実証しました。[ 2 ] [ 3 ]これは、DNAが細胞の遺伝情報を運ぶという最初の説得力のある証拠でした。
それ以来、自然形質転換能は、特に枯草菌、肺炎連鎖球菌、淋菌、インフルエンザ菌、アシネトバクター属など、さまざまな細菌で研究されてきた。[ 1 ]活発な研究分野には、DNA輸送のメカニズム、さまざまな細菌における形質転換能の調節、形質転換能の進化的機能などがある。
実験室では、DNAは研究者によって提供され、多くの場合、遺伝子操作された断片またはプラスミドとして提供されます。取り込みの際、DNAは細胞膜（複数ある場合）および細胞壁（存在する場合）を通過して輸送されます。DNAが細胞内に入ると、ヌクレオチドに分解され、 DNA複製やその他の代謝機能に再利用されます。あるいは、 DNA修復酵素によって細胞のゲノムに組み込まれる場合もあります。この組み換えによって細胞の遺伝子型が変化すると、細胞は形質転換されたと言われます。人工的なコンピテンスと形質転換は、多くの生物において研究ツールとして使用されています。[ 4 ]
ほぼすべての自然形質転換細菌では、IV型線毛と呼ばれる細胞外フィラメントの構成要素が細胞外二本鎖DNAに結合する。その後、DNAは、DNAの一方の鎖の分解によって駆動される多成分タンパク質複合体を介して膜（グラム陰性細菌の場合は複数の膜）を横切って輸送される。細胞内の一本鎖DNAは、よく保存されたタンパク質であるDprAによって結合され、DprAはDNAをRecAにロードし、RecAは古典的なDNA修復経路を介して相同組換えを媒介する。[ 5 ]
実験室培養では、自然形質転換能は通常厳密に制御されており、栄養不足や不利な条件によって引き起こされることが多い。しかし、特定の誘導シグナルと制御機構は取り込み機構よりもはるかに多様であり、制御システムは種によって異なる可能性がある。[ 6 ] [ 1 ]形質転換能を制御する転写因子が発見されている。例えば、sxy（tfoXとも呼ばれる）は、5'非コードRNA要素によって制御されていることがわかっている。[ 7 ]胞子を形成できる細菌では、胞子形成を誘導する条件は形質転換能を誘導する条件と重複することが多い。[ 1 ] [ 8 ]したがって、胞子形成細胞を含む培養物やコロニーには、形質転換能を持つ細胞も含まれていることが多い。
自然形質転換能を持つ細菌のほとんどは、ほぼ同等の効率で全てのDNA分子を取り込むと考えられている。[ 1 ]しかし、ナイセリア科やパスツレラ科などの一部の細菌は、ゲノム内に頻繁に存在する短い配列である取り込みシグナル配列を含むDNA断片を優先的に取り込む。 [ 1 ]ナイセリア科ではこれらの配列はDNA取り込み配列（DUS）と呼ばれ、パスツレラ科では取り込みシグナル配列（USS）と呼ばれる。ナイセリア属のゲノムには、優先配列GCCGTCTGAAが数千コピー含まれており、パスツレラ科のゲノムにはAAGTGCGGTまたはACAAGCGGTのいずれかが含まれている。[ 4 ] [ 9 ]
自然細菌形質転換の一部としての自然形質転換の主要な進化機能に関する提案のほとんどは、次の3つのカテゴリーに分類されます。(1) 遺伝的多様性の選択的利点、(2) ヌクレオチド源としてのDNAの取り込み（DNAを「食物」として利用）、(3) 損傷したDNAの相同組換え修復（DNA修復）を促進するための新しいDNA鎖の選択的利点。複数の提案が異なる生物に対して当てはまる可能性があります。[ 1 ]また、水平遺伝子伝達の時折の利点を指摘する二次的な提案もなされています。
ある仮説によれば、細菌の形質転換は、高等生物における性と同じように遺伝的多様性を高める役割を果たしている可能性がある。[ 1 ] [ 10 ] [ 11 ]しかし、性の進化に伴う理論的な困難さから、遺伝的多様性のための性は問題が多いことが示唆される。細菌の形質転換の場合、コンピテンスには、例えば肺炎連鎖球菌のコンピテンス時にのみオンになる16個以上の遺伝子など、タンパク質合成の全体的なスイッチという高いコストが必要となる。 [ 12 ]しかし、細菌はクローンで増殖する傾向があるため、形質転換に利用できるDNAは、一般的に受容細胞と同じ遺伝子型を持つことになる。[ 13 ]したがって、タンパク質発現には常に高いコストがかかるが、一般的には多様性の増加にはつながらない。コンピテンスと性のその他の違いは、コンピテンスを引き起こす遺伝子の進化モデルで検討されている。これらのモデルでは、コンピテンスの想定される組換えの利点は、性のそれよりもさらに捉えどころがないことがわかった。[ 13 ]
2番目の仮説である「DNAを食物とする」は、DNAを取り込んだ細胞は必然的にDNAを構成するヌクレオチドを獲得し、ヌクレオチドはDNAとRNAの合成に必要であり、合成にコストがかかるため、細胞のエネルギー収支に大きく貢献する可能性があるという事実に基づいています。[ 14 ]また、自然形質転換能を持つ細菌の中には、ヌクレアーゼを周囲に分泌するものもあり、すべての細菌は、これらのヌクレアーゼが環境DNAから生成する遊離ヌクレオチドを取り込むことができます。[ 15 ] DNA取り込みのエネルギー論はどのシステムでも理解されていないため、ヌクレアーゼ分泌の効率をDNA取り込みと内部分解の効率と比較することは困難です。原則として、ヌクレアーゼ生産のコストとヌクレオチド回収の不確実性は、取り込み機構を合成し、DNAを引き込むために必要なエネルギーとバランスを取る必要がある。その他の重要な要因としては、ヌクレアーゼとコンピテントセルがDNA分子に遭遇する可能性、環境およびペリプラズム（コンピテントセルによって一方の鎖が分解される場所）からのヌクレオチド取り込みの相対的な非効率性、細胞質内のもう一方の鎖からすぐに使用できるヌクレオチド一リン酸を生成する利点などがある。もう1つの複雑な要因は、パスツレラ科およびナイセリア属の種のDNA取り込みシステムの自己バイアスであり、これは組換えまたは機構的に効率的な取り込みの選択を反映している可能性がある。[ 16 ] [ 17 ]
細菌では、DNA損傷の問題は、特に過密状態や飢餓状態などのストレス時に発生する酸化ストレス時に最も顕著になります。一部の細菌は、このようなストレス条件下でコンピテンスを誘導し、形質転換がDNA修復に役立つという仮説を支持しています。 [ 1 ]実験試験では、DNAを損傷する因子に曝露され、その後形質転換を起こした細菌細胞は、DNA損傷に曝露されたが形質転換を起こさなかった細胞よりも生存率が高かった。[ 18 ]さらに、形質転換を起こすコンピテンスは、既知のDNA損傷因子によって誘導されることが多い。[ 19 ] [ 20 ] [ 1 ]したがって、自然コンピテンスと形質転換の短期的な選択的利点は、ストレス条件下で相同組換えDNA修復を促進する能力であると考えられます。
水平遺伝子伝達（側方遺伝子伝達とも呼ばれる）が時折発生することで、抗生物質耐性やその他の利点が得られる場合があり、これは抗生物質耐性につながる可能性がある。
能力選択の性質に関わらず、細菌ゲノムの複合的な性質は、能力によって引き起こされる水平遺伝子伝達が、進化を可能にする遺伝的多様性に貢献しているという豊富な証拠を提供する。