位相変化

生物学において、相変異とは、ランダムな突然変異を必要とせずに急速に変化する環境に対処する方法です。相変異には、細菌集団のさまざまな部分内でのタンパク質発現の変動が関係しており、多くの場合オンオフ方式です。そのため、表現型は、従来の突然変異率よりもはるかに高い頻度 (場合によっては 1% 以上) で切り替わります。相変異は、異質性を生み出すことで毒性に寄与します。相変異は、免疫回避の文脈で最も一般的に研究されてきましたが、他の多くの分野でも観察されており、サルモネラ属菌を含むさまざまな種類の細菌で使用されています。

サルモネラ菌はこの技術を使って、異なるタイプのタンパク質フラジェリンを切り替えます。その結果、異なる構造の鞭毛が組み立てられます。あるタイプのフラジェリンに対して適応反応が起こった場合、または以前の遭遇により適応免疫系が 1 種類のフラジェリンに対処する準備ができている場合、タイプを切り替えると、以前は高親和性であった抗体、T 細胞受容体、および B 細胞受容体が鞭毛に対して無効になります。

部位特異的組換えは通常短く、組換え配列内の単一の標的部位で起こる。これが起こるためには、通常、1つ以上の補因子（いくつか例を挙げると、DNA結合タンパク質とDNA結合部位の有無）と部位特異的リコンビナーゼが存在する。^[1] DNAの向きが変化し、遺伝子発現または遺伝子産物の構造に影響を与える。^[2]これは、プロモーターまたは調節要素の空間配置を変更することによって行われる。^[1]

特定のリコンビナーゼを利用することで、特定の DNA 配列が反転し、その結果、このスイッチ内またはスイッチの隣に位置する遺伝子のオンからオフへのスイッチおよびその逆が実現します。多くの細菌種は、感染中に細菌に有利になるように、反転を利用して特定の遺伝子の発現を変更することができます。^[1] 反転イベントは、 E. coliピリン発現のように 1 つの遺伝子の発現のトグルが関与する単純なものもあれば、 Salmonella enterica serovar Typhimuriumによる複数種類のフラジェリンの発現に複数の遺伝子が関与する複雑なものもあります。^[3] E. coli の I 型線毛による線毛接着は、感染の段階に応じて、部位特異的な反転を起こし、線毛の主要サブユニットであるfimAの発現を制御します。反転可能な要素には、方向に応じてfimAの転写をオンまたはオフにするプロモーターが含まれています。この反転は、FimBとFimEという2つのリコンビナーゼと、調節タンパク質H-NS、統合宿主因子（IHF）、ロイシン応答タンパク質（LRP）によって媒介されます。FimEリコンビナーゼは、要素を反転させて発現をオンからオフに切り替える機能のみを持ちますが、FimBは両方向の反転を媒介できます。^[4]

切除が正確で、DNAの元の配列が復元されると、転位によって可逆的な相変異が媒介される可能性があります。転位によって媒介される相変異は、特定のDNA配列を標的とします。^[5] P. atlanticaには、細胞外多糖をコードするeps遺伝子座が含まれており、この遺伝子座のオンまたはオフの発現は、IS492の有無によって制御されます。MooVとPivによってコードされる2つのリコンビナーゼは、それぞれeps遺伝子座の挿入要素IS492の正確な切除と挿入を媒介します。IS492が切除されると、それは環状の染色体外要素になり、 epsの復元された発現をもたらします。^{[5] [6]}

部位特異的 DNA 再配置のもう 1 つのより複雑な例は、サルモネラチフス菌の鞭毛で使用されています。通常の段階では、プロモーター配列が H2 鞭毛遺伝子の発現を H1 鞭毛遺伝子のリプレッサーとともに促進します。このプロモーター配列が hin 遺伝子によって反転されると、リプレッサーがオフになり、H2 もオフになり、H1 が発現できるようになります。

遺伝子変換は、相変異の別の例です。淋菌のIV型線毛は、この方法で制御されます。これらの線毛をコードする遺伝子（Pil遺伝子）には複数のコピーがありますが、一度に発現するのは1つだけです。これはPilE遺伝子と呼ばれます。この遺伝子のサイレントバージョンであるPilSは、相同組換えを使用してPilE遺伝子の一部と結合し、異なる表現型を作成できます。これにより、最大10,000,000の異なる線毛表現型が可能になります^{[引用が必要]}。

他の相変異のメカニズムとは異なり、エピジェネティックな修飾は DNA 配列を変更しないため、変化するのは表現型であり、遺伝子型ではありません。ゲノムの完全性は損なわれず、メチル化によって生じた変化は転写因子の結合を変更します。その結果、転写が調節され、遺伝子発現のスイッチが発生します。^{[2] [5]}大腸菌 の外膜タンパク質抗原 43 (Ag43)は、DNA メチル化酵素デオキシアデノシンメチルトランスフェラーゼ (Dam) と酸化ストレス調節因子 OxyR の 2 つのタンパク質によって媒介される相変異によって制御されます。細胞表面に位置する Ag43 は、Agn43遺伝子 (以前はfluと呼ばれていました) によってコードされており、バイオフィルムと感染に重要です。Agn43の発現は、調節タンパク質 OxyR の結合に依存しています。OxyR がプロモーターと重複するAgn43の調節領域に結合すると、転写が阻害されます。転写のONフェーズは、 Agn43遺伝子の先頭にあるGATC配列（OxyR結合部位と重複している）をDamがメチル化することに依存しています。DamがGATC部位をメチル化すると、OxyRの結合が阻害され、Ag43の転写が可能になります。^[7]

この形態の相変異では、ゲノムのプロモーター領域は相同組換えを通じて遺伝子の1つのコピーから別のコピーに移動することができます。これは、カンピロバクター胎児の表面タンパク質で発生します。いくつかの異なる表面抗原タンパク質は、1つを除いてすべてサイレントであり、すべてが5'末端の保存領域を共有しています。プロモーター配列は、これらの保存領域間を移動して、異なる遺伝子の発現を可能にします^[要出典]。

スリップ鎖ミスペアリング（SSM）は、 DNA合成中に母鎖と娘鎖の間で短い繰り返し配列のミスペアリングを生じるプロセスです。^[1] このRecAに依存しないメカニズムは、 DNA複製またはDNA修復中に発生する可能性があり、リーディング鎖またはラギング鎖で発生する可能性があります。SSMは、短い繰り返し配列の数の増加または減少を引き起こす可能性があります。短い繰り返し配列は1〜7ヌクレオチドで、均質または異質の反復DNA配列である可能性があります。^[3]

遺伝子発現の変化はSSMの結果であり、プロモーターとの関係で短い繰り返し配列の増加または減少が発生する場所に応じて、転写レベルまたは翻訳レベルで制御されます。^[8]結果は、遺伝子のオンまたはオフフェーズです。

転写調節（図の下部）は、いくつかの方法で発生します。考えられる方法の 1 つは、反復がRNA ポリメラーゼ結合部位のプロモーター領域（遺伝子の -10 および -35 上流）にある場合です。日和見病原体H. influenzae には、異なる方向を向いた 2 つのプロモーターと、線毛遺伝子hifAおよびhifBがあります。重複するプロモーター領域には、-10 および -35 配列にジヌクレオチド TA の反復があります。SSM により、TA 反復領域は TA ジヌクレオチドの追加または削除を受けることができ、その結果、hifAおよびhifBの転写の可逆的なオン フェーズまたはオフ フェーズが発生します。^{[3] [9]} SSM が転写調節を誘導する 2 つ目の方法は、プロモーターの外側にある短い反復配列を変更することです。短い反復配列に変化があると、活性化因子や抑制因子などの調節タンパク質の結合に影響する可能性があります。また、mRNAの転写後安定性の違いにもつながる可能性がある。^[5]

短い繰り返し配列が遺伝子のコード領域にある場合、タンパク質の翻訳は SSM によって制御できます(図の上部)。オープン リーディング フレーム内の繰り返し数を変更すると、未熟な終止コドンを追加したり、タンパク質の配列を変更したりして、コドン配列に影響を与える可能性があります。これにより、多くの場合、短縮されたタンパク質 (未熟な終止コドンの場合) や機能しないタンパク質が生成されます。