SOS応答

SOS応答は、細胞周期が停止し、DNA 修復と突然変異が誘発されるDNA損傷に対する全体的な応答です。このシステムには、RecAタンパク質 (真核生物ではRad51 ) が関与しています。一本鎖 DNA によって刺激された RecA タンパク質は、SOS 応答遺伝子のリプレッサー ( LexA ) の不活性化に関与し、それによって応答を誘発します。これは、エラーが発生しやすい修復システムであり、さまざまな種で観察される DNA の変化に大きく寄与しています。

SOS反応はエブリン・ウィトキンによって明確に表現された。^{[3] [4]}その後、ウィトキンとポスドクのミロスラフ・ラドマンは、変異誘発された大腸菌の表現型を特徴づけることで、細菌の紫外線に対するSOS反応を詳細に説明した。 ^{[3] [5]} DNA損傷に対するSOS反応は、初めて解明された協調的なストレス反応であったため、画期的な発見であった。^[6]

通常の成長中、SOS遺伝子はLexAリプレッサータンパク質二量体によって負に制御される。通常の状態では、LexAはこれらの遺伝子のオペレーター領域にある20bpのコンセンサス配列（SOSボックス）に結合する。これらのSOS遺伝子の一部は、LexAのSOSボックスに対する親和性に応じて、抑制された状態でも一定レベルで発現する。SOS遺伝子の活性化は、DNAポリメラーゼが阻害される複製フォークで生成された一本鎖（ssDNA）領域の蓄積によるDNA損傷後に起こる。RecAはATP依存的にこれらのssDNA領域の周りにフィラメントを形成し、活性化される。^[7] RecAの活性化形態はLexAリプレッサーと相互作用し、LexAリプレッサーがオペレーターから自己切断するのを促進する。^{[7] [8]}

LexAのプールが減少すると、SOSボックスに対するLexAの親和性のレベルに応じて、SOS遺伝子の抑制が低下します。^[7] LexAに弱く結合するオペレーターが最初に完全に発現します。このようにして、LexAはさまざまな修復メカニズムを順番に活性化できます。弱いSOSボックスを持つ遺伝子（lexA、recA、uvrA、uvrB、uvrDなど）は、弱いSOS誘導処理に対しても完全に誘導されます。したがって、最初に誘導されるSOS修復メカニズムはヌクレオチド除去修復（NER）であり、その目的は、本格的なSOS応答にコミットすることなくDNA損傷を修復することです。ただし、NERが損傷を修復するのに十分でない場合は、LexA濃度がさらに低下するため、より強いLexAボックスを持つ遺伝子（sulA、umuD、umuCなど、これらは遅れて発現します）の発現が誘導されます。^[7] SulAは、このプロセスの開始タンパク質であるFtsZに結合することで細胞分裂を停止します^{[7] 。これにより}フィラメント化が起こり、UmuDC依存性変異修復が誘導されます。これらの特性の結果として、一部の遺伝子は内因性レベルのDNA損傷にも反応して部分的に誘導される可能性がありますが、他の遺伝子は細胞内に高いまたは持続的なDNA損傷がある場合にのみ誘導されるようです。

研究により、SOS応答システムは突然変異を引き起こし、抗生物質耐性につながる可能性があることが示されています。 ^[9] SOS応答中の突然変異率の増加は、3つの低忠実度DNAポリメラーゼ、Pol II、Pol IV、Pol Vによって引き起こされます。^{[10] [9]}研究者は現在、SOS修復を阻害する薬剤の開発を目的としてこれらのタンパク質を標的にしています。そうすることで、病原菌が抗生物質耐性を発達させるのに必要な時間を延長し、一部の抗生物質の長期生存性を向上させることができます。^[11]

SOS応答は遺伝的耐性だけでなく、表現型耐性も促進します。ここでは、細菌が生き残れるように他の非遺伝的因子が変更される一方で、ゲノムは保存されます。例えば、SOS依存性tisB-istR 毒素-抗毒素システムは、DNA損傷依存性持続細胞誘導に関連付けられています。 ^[12]

大腸菌では、上記のように、異なるクラスの DNA 損傷因子が SOS 応答を開始できます。lacオペロン(ラクトース分解タンパク質であるベータガラクトシダーゼの生成を担う) を SOS 関連タンパク質の制御下に置くオペロン融合を利用すると、遺伝毒性の簡単な比色分析が可能になります。ラクトース類似体を細菌に加え、ベータガラクトシダーゼによって分解すると、分光光度計で定量的に測定できる色の化合物が生成されます。色の発現の程度は、生成されたベータガラクトシダーゼの間接的な尺度であり、それ自体が DNA 損傷の量に直接関連しています。

大腸菌はさらに、除去修復を欠く株にして特定のDNA損傷因子に対する反応を高めるuvrA変異や、細菌のリポ多糖を欠く株にして特定の化学物質が細胞内に拡散しやすくし、SOS反応を誘発するrfa変異など、いくつかの変異を持たせるために改変されている。 ^{[13]遺伝子損傷に対する}大腸菌細胞の一次反応を測定する市販のキットが利用可能であり、特定の物質に対するエイムズ試験と高い相関関係がある可能性がある。^[14]

シアノバクテリアは、酸素を発生する光合成が可能な唯一の原核生物であり、地球の酸素を含む大気の主な生産者です。[ ^15]海洋シアノバクテリアのプロクロロコッカスとシネココッカスは、 lexAやsulAなどの主要な大腸菌SOS遺伝子と相同性のある遺伝子をコードしているため、DNA修復のための大腸菌のようなSOSシステムを持っているようです。^[16]

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  SOS 応答は、細菌 DNA が修復されるまで隔壁の形成を阻害し、顕微鏡で細胞を検査すると糸状化として観察できます(画像の右上)。

• ラムダファージの溶解の誘導