二次染色体

クロミド^[1]は、以前は（あまり厳密には）二次染色体^[a]と呼ばれ、細菌のレプリコン（複製DNA分子）の一種です。これらのレプリコンは、染色体とプラスミドの両方の特徴を備えているため、「クロミド」と呼ばれています。当初は、すべてのコア遺伝子は細菌の主染色体上にあると考えられていました。しかし、1989年に、主染色体の外側にコア遺伝子を含むレプリコン（現在はクロミドとして知られています）が発見されました。これらのコア遺伝子により、クロミドは生物にとって不可欠なものとなっています。クロミドは、主染色体ほど大きくはありませんが、大きなレプリコンです。しかし、クロミドはほとんどの場合、プラスミド（またはメガプラスミド）よりも大きいです。クロミドは、GC含有量やコドン使用の偏りなど、染色体の多くのゲノムシグネチャも共有しています。一方、クロミドは染色体の複製システムを共有しません。代わりに、プラスミドの複製システムを使用します。クロミドは、2009年までに配列決定された細菌種の10％に存在します。^[5]

細菌ゲノムは、主染色体と 1 つ以上のクロミド (および/またはメガプラスミド) に分かれており、分割ゲノムまたは多分節ゲノムと呼ばれます。クロミドをコードする細菌の大部分は 1 つのクロミドしか持っていませんが、9% は 1 つ以上のクロミドを持っています (メガプラスミドをコードする細菌の 12% は複数のメガプラスミドを持っています)。アゾスピリラム^{属には、最大 5 つのクロミドを持つ 3 つの種が含まれており、これは現在までに単一の種で知られているクロミドの最多数です。クロミドは、真核生物と共生関係または病原性関係にある細菌[6]}や、非生物的ストレス要因に対する耐性が高い生物と共生関係にある細菌でより一般的であるようです。^[7]

クロミドは1989年に、ロドバクター・スフェロイデスとして知られるアルファプロテオバクテリアの一種で発見されました。^[8]しかし、「クロミド」という概念が独立したタイプのレプリコンとして正式に定義されたのは2010年になってからでした。^[1]いくつかの分類では、クロミドの必須性、複製システムなどの条件に応じて、さらにクロミドを区別しています。

クロミドの起源については、「プラスミド」仮説と「分裂」仮説の 2 つの仮説がある。プラスミド仮説によると、クロミドは進化の過程でコア遺伝子を獲得し、それぞれの系統で安定したプラスミドに由来する。分裂仮説によると、クロミドと主染色体は、より大きく、より古い染色体の分裂に由来する。プラスミド仮説は現在広く受け入れられているが、まれに大きなレプリコンが染色体分裂に由来する場合もある。ある発見によると、クロミドは細菌の系統発生全体で 45 回発生し、2 回失われた。^[6]

細菌ゲノミクスの初期には、細菌のゲノムは比較的単純な構造であると考えられていた。既知の細菌はすべて、重要な遺伝子をすべて含む環状の染色体を持っていた。一部の細菌はプラスミドと呼ばれる追加のレプリコンを持っており、プラスミドは特徴的に小さく、環状で、不要であった（つまり、必須でない遺伝子のみをコードしていた）。^[9]より多くの細菌とそのゲノムが研究されるにつれて、細菌のゲノム構造の多くの代替形態が発見され始めた。線状染色体と線状プラスミドは、多くの種で発見された。その後すぐに、いくつかの大きなレプリコンを持つ細菌が発見され、真核生物と同様に、細菌も複数の染色体からなるゲノムを持つことができるという見方につながった。^[9]最初の例は1989年のRhodobacter sphaeroides^{でした。 [8]}しかし、 1993年のBrucella melitensis、^{[10] 1994年の} Burkholderia cepacia complex、^{[11] 1995年の} Rhizobium meliloti、^{[12] 1996年の} Bacillus thuringiensis、^[13]とすぐに追加の発見があり、現在では細菌種の約10%がメインの染色体とは別の大きなレプリコンを持つことが知られています。

これらの発見が始まった後、多分節ゲノムのさまざまな構成要素を分類するいくつかのアプローチが提案されました。メイン染色体以外の大きなレプリコンを説明するために、単に追加の染色体、または「ミニ染色体」、「メガプラスミド」、「二次染色体」と呼ぶなど、さまざまな用語が使用されてきました。これらのレプリコンを区別するために使用される基準は、通常、サイズやコア遺伝子の存在などの特徴を中心に展開されます。^{[9] 2010年に、これらのゲノム要素を}クロミドとして分類することが提案されました。以前の用語、たとえば「二次染色体」は、これらのレプリコンがプラスミドの複製システムを含み、染色体とは根本的に異なるクラスのレプリコンであるという観察に基づいて不十分であると考えられています。^[14]「クロミド」の元の定義には、次の3つの基準を満たすことが含まれます。^[5]

この定義は堅牢であるが、これを提案した著者らは、クロミドと他のレプリコンの境界を曖昧にするいくつかの例外が見つかるであろうと予想していた。この予想は、進化系統が曖昧なシステムを生み出すという一般的な傾向のために存在し、その結果、広範囲に及ぶ種の定義を策定する際によりよく知られている問題が生じた。^[5]

クロミドの分類以来、クロミドの特徴をいくつか共有しながらも別々に分類されている他のレプリコンが発見されています。1 つの例は、細菌属 Aureimonas 内の系統群で見つかった「rrn プラスミド」です。rrnプラスミドにはrrn (rRNA) オペロン (そのため、この名前が付けられています) が含まれており、 rrnオペロンはメイン染色体上に見つかりません。そのため、メイン染色体は「rrn欠乏染色体」または RLC と呼ばれ、rrnプラスミドを持つAureimonas内の細菌の系統群は「RLC 系統群」とも呼ばれます。RLC 系統群のメンバーには 9 つのレプリコンがあり、そのうちメイン染色体が最大で、rrnプラスミドが 9.4kb と最小です。rrnプラスミドは、 RLC細菌でもコピー数が多くなっています。この非常に小さなサイズとコピー数は、クロミドよりもプラスミドに似ていますが、rrnプラスミドは依然としてrrnオペロンと tRNA(Ile)の遺伝子のコピーのみを持っています。この特徴的な集合体により、このレプリコンを発見した科学者は、これを単にrrnプラスミドとして分類しました。これは、「プラスミド」や「クロミド」とは別の分類であると考えられています。^[15]

特定のレプリコンをクロミドとして分類するだけでなく、多くの科学者がさらに異なるタイプのクロミドを区別することを提案している。1つの分類では、一次クロミドと二次クロミドを区別する。一次クロミドは、あらゆる条件下で細菌の生存に常に不可欠なコア遺伝子を含むクロミドとして定義される。二次クロミドは、細菌の本来の条件での生存に必須であるが、実験室環境などの特定の「安全な」条件では必須ではない可能性があるクロミドとして定義される。二次クロミドは、一次クロミドと比較して、より最近の進化の起源を持ち、よりプラスミドのような特徴を保持している可能性がある。提案されている一次クロミドの例は、Paracoccus denitrificans PD1222の「染色体II」である。^{[6] [14]}

細菌ゲノムでは、主染色体が常に最大のレプリコンとなり、次にクロミド、そしてプラスミドが続きます。この傾向の例外として、デイノコッカス・デザーティVCD115が知られています。この菌株では、両方のプラスミドがクロミドよりも大きいです。^[5]

クロミドのサイズは生物によって大きく異なります。細菌属ビブリオでは、主染色体は3.0～3.3 Mbであるのに対し、クロミドのサイズは0.8～2.4 Mbです。^{[16]一部のコア遺伝子をコードする}ブフネラ属のレプリコンはわずか7.8kbです。^[17]コア遺伝子の存在によりこのレプリコンはクロミドに分類される場合がありますが、このレプリコンは特定の定義では除外されることもあります。アプローチによっては、350kbという閾値サイズを満たす特定のレプリコンのみをクロミドとして分類します。また、染色体やメガプラスミドと同様に、クロミドは細胞内でのコピー数が少ない傾向があることも観察されています。平均して、クロミドはメガプラスミドの2倍の大きさです（そのため、メガプラスミドからのクロミドの出現は、変換後のかなりの遺伝子蓄積と関連しています）。^{[6]最大のクロミドの1つは、} Burkholderia pseudomalleiのクロミドで、サイズが310万ヌクレオチド、つまり3.1メガベースまたは3.1 Mbを超えています。^[18]

クロミドは主染色体と比較してG + C含有量が低いことが多いが、この関連性の強さはそれほど強くない。また、クロミドのG + C含有量は主染色体の1%以内であることも典型的であり、これは細菌系統内で一定期間安定して存在した後、主染色体の塩基組成平衡に近づいていることを反映している。クロミドはコドン使用の偏りにおいても主染色体に似ている。^{[5] [19]}ある分析では、クロミドのGC含有量は主染色体と平均0.34%の差があり、メガプラスミドでは1.9%、プラスミドでは2.8%であった。^[6]

クロミドには、主染色体に存在しないコア遺伝子が少なくとも 1 つあります。(細菌のコア遺伝子の大部分は主染色体に含まれるのに対し、プラスミドにはコア遺伝子は含まれません。) たとえば、コレラ菌のクロミドには、リボソームサブユニット L20 と L35 の遺伝子が含まれています。^{[20]ほとんどのクロミドは、rRNA 遺伝子や rRNA}オペロンの遺伝子など、主染色体に比べて不釣り合いに少ない数の必須遺伝子しか持っていませんが、中にはより多くの必須遺伝子を持ち、染色体と「対等なパートナー」と見なされるものもあります。^[21]一般に、クロミドには、輸送、代謝、転写、調節機能、シグナル伝達、運動関連機能のプロセスに関与する遺伝子も豊富に含まれています。クロミドに位置するタンパク質は、主染色体にコード化されたタンパク質と相互作用するプロセスに関与しています。クロミドは染色体よりも多くのトランスポザーゼ遺伝子を持っていますが、メガプラスミドよりも少ないです。^[6]

コア遺伝子の存在により、クロミドは細菌の生存に不可欠となる。同じコア遺伝子は属内のクロミドに見られるが、属間では必ずしもそうではない。属のすべてのクロミドは、さらに、属の表現型を定義するのに役立つ、多数の保存されているが必須ではない遺伝子を共有している可能性がある（そして、ビブリオの場合に示唆されているように、クロミドの出現は、クロミドをコードする細菌属の形成における主要な進化の原動力であると思われる^[19]）。対照的に、細菌の染色体は、何百もの保存されたコア遺伝子を普遍的またはほぼ普遍的に共有している可能性がある。プラスミドにはコア遺伝子が含まれておらず、クロミドとは異なり、細菌属内の異なる種のプラスミド（または同じ種内の異なる分離株）は、いくつかの遺伝子を共有している。これは、プラスミドの獲得と喪失が共通して起こり、接合（水平遺伝子伝達の一形態）を通じて細菌間で伝達されるのに対し、クロミドは細胞分裂（垂直方向）を通じて受け継がれ、水平遺伝子伝達によってクロミドが移動するという証拠がないことが一因である。^{[5]少なくとも1つの細菌種では、クロミドを除去しても細菌が生存不能になることはなかったが、細菌は}栄養要求性になり、クロミドの喪失に関連する深刻な適応度の低下を示したことが観察されている。 ^[22]

クロミドは細菌属内に安定して存在するため、系統発生的に特定の属に限定されるという特徴も持つ。クロミドを持つ細菌の属の例には、デイノコッカス、レプトスピラ、シアノセセ（シアノバクテリアの一種）、シュードモナスタの属の濃縮などがある。全体的に、細菌ゲノム配列は、細菌種の約10％がクロミドを持つことを示している。^[5]また、同じ生物にクロミドとメガプラスミドが共存する傾向があることもわかっている。メガプラスミドがクロミドの推定上の進化的起源であるにもかかわらず、クロミドはメガプラスミドよりも系統発生でより頻繁に出現する（約2倍の種で）。これにより、クロミドの本質的に進化的に高い安定性と比較して、生物が時間の経過とともにメガプラスミドを失う傾向がある可能性がある。^[6]

クロミドは染色体とプラスミドの両方の複製の特徴を共有しています。1つには、クロミドはプラスミドの複製システムを使用します。プラスミドは主染色体や細胞周期と連携して複製しませんが、^[23]クロミドはそうし、細胞周期ごとに1回だけ複製します。^[24]細菌属ビブリオでは、主染色体の複製はクロミドの複製の前に始まります。クロミドは染色体よりも小さいため、複製を完了するのにより短い時間しかかかりません。このため、クロミドの複製は、染色体とクロミドの間の複製終了を調整するために遅れます。^{[25]クロミドと比較して染色体が早く複製されることは、} Ensifer melilotiでも観察されています。^[26]細菌はまた、染色体とクロミドの間の複製を開始するために異なる複製因子に依存しています。^[27]染色体の複製はタンパク質DnaAの発現刺激によって開始されるが、クロミドの複製にはDnaAが必要であるがRctBにも依存する。これは、DnaAにも依存するが、複製は他のタンパク質（具体的にはRepAとRepE）によって制御されるF1プラスミドとPプラスミドに似ている。^[28]クロミドの分離は細菌の属によって異なるパターンに従うが、通常は主染色体の分離後に起こる。^[6]

これまでのところ、クロミドはrepABCシステムまたはiteronのいずれかの2種類のシステムのいずれかで複製することが知られています。^[1]

いくつかの研究は、細菌においてクロミドは染色体よりも保存性が低く、より急速に進化することを示している。ビブリオ属の多くの種の研究では、主要な大きな染色体のサイズは3〜3.3 Mbと一貫しているのに対し、二次染色体は0.8〜2.4 Mbと柔軟に変化していることが判明した。この大きな変動は、構造の柔軟性が高いことを示している。アグロバクテリウム属および別の属の細菌は3つ以上のクロミドを持つことができ、いくつかの株におけるこれらの複数のクロミドは、一般的に大規模な再編成を受け、1つのクロミドのかなり大きな部分が別のクロミドに転座することがある。^{[16]クロミドに位置する遺伝子は進化しやすく、}浄化選択が少なくなる傾向がある。原核生物の一般的な種の定義はDNA配列または平均ヌクレオチド同一性に基づいているため、クロミドの進化の可能性が大きいほど、クロミドを持つ生物は種分化の傾向が強くなる可能性がある。^[29]

クロミドの起源を説明するために、いくつかの提案がなされてきた。2 つの主な仮説は、「分裂仮説」と「プラスミド仮説」である。分裂仮説によると、1 つの大きな染色体が分裂して 2 つの別々の細菌染色体が生じ、その結果、主染色体と副染色体 (またはクロミド) が生じる。しかし、クロミドのプラスミド型の維持および複製システム、および主染色体とクロミド間のコア遺伝子の不均等な分布のため、クロミドはコア遺伝子を獲得したメガプラスミドから進化したというプラスミド仮説が広く受け入れられている。^[19]メガプラスミドが主染色体からコア遺伝子を獲得し、同時にそれらのコア遺伝子が主染色体から失われると、プラスミドは細菌ゲノムの安定した必須要素となる。 (メガプラスミドは、メイン染色体からコア遺伝子の重複コピーを獲得することもある。重複したコア遺伝子の存在がメイン染色体上で退化し、新しく形成されたクロミド上にのみ存在するようになる。この場合、クロミドは中立遷移によって形成される。) このイベントにより、新しいクロミド上にある他の遺伝子も安定化され、新しい系統に特徴的な表現型が生じる可能性がある。これらのコア遺伝子は、いくつかの方法でメガプラスミドに移行することができる。1 つは、メイン染色体とプラスミド間の相同組換えである。既存のクロミドがプラスミドと組換えて複製システムを獲得することも可能だ。クロミドが系統に出現すると、長い進化期間にわたって安定する。いくつかの細菌属には、属ごとに特徴的なクロミドがある。単一の属に見られるクロミドは普遍的に多数の遺伝子を共有している可能性があるが、異なる属のクロミドに普遍的に見られる遺伝子は存在しない。^[5]

プラスミドは、常にではないにしても、ほとんどの場合、クロミドの起源であるが、少なくとも 2 つの細菌株では、より大きな染色体の分裂から大きなレプリコンが派生している可能性がある。これらの例外的なケースでは、「二次染色体」という用語が保持され、この意味で「クロミド」と区別される。レプリコンを「二次染色体」として識別することは、保存されたシンテニーと、コア遺伝子とメイン染色体のランダムな分布に基づいて行われる可能性がある。^[6]

クロミドの起源に関する疑問は、それがなぜ進化したかという疑問と結びついています。 1 つの可能性は、クロミドが「凍結事故」であるということです。つまり、特別な理由もなく偶然に進化しただけであり、そのため、この理由だけで、それが出現した生物の子孫の系統に存在しているということです。 このシナリオでは、コア遺伝子は偶然にクロミド上に存在しますが、中立遷移を通じてコア遺伝子が二次レプリコン上に偶然固定されたことで、生物にとって不可欠なものになります。 ただし、クロミドは、細菌がその環境で競争するのに役立ついくつかの利点をもたらす可能性もあります。 クロミドを持つ細菌は、培養でより速く成長することができ、かなり大きなゲノムも含むことが観察されています。 クロミドをコードする細菌のゲノムの平均サイズは 5.73 ± 1.66 Mb ですが、クロミドをコードしない細菌の平均ゲノムサイズは 3.38 ± 1.81 Mb です。このため、一部の人々は、いくつかの遺伝子を主染色体ではなくクロミドに配置することで、複製速度と効率を損なうことなくゲノムを拡張できると結論付けています。^[5]一方、6 Mbを超える細菌ゲノムの3分の2は多部分ではなく、最大の50ゲノムのうち3つだけが多部分であるため、より大きなゲノムがクロミドの進化的起源の理由として因果的に証明されていません。クロミドは、急速に成長する細菌にも頻繁に見られ、複製と分裂の速度に貢献していることを示唆していますが、ここでも、いくつかの分析により、クロミドの出現の進化の原動力としてのこの提案には問題が提起されています。代わりに、ゲノム拡張とより速い複製速度は、系統におけるクロミドの維持に関与している可能性は高いですが、クロミドの出現の原因説明ではありません。^[6]クロミドは、ニッチ特異的遺伝子の協調的な発現を可能にする可能性もあります。^{[30] [16]}特定の環境で有利なライフスタイルをもたらすために必要な遺伝子を偶然に持つクロミドのランダムではあるが稀な出現は、生物内でそのクロミドを安定化させ、現在では重要なレプリコンの存在によって定義される新しい系統につながる上で重要な役割を果たしている可能性がある。^[31]