大腸菌ウイルスT4

大腸菌ウイルスT4
エシェリヒア ウイルス T4 (ビリオンのEM )
ウイルスの分類
(ランク外):	ウイルス
領域:	デュプロドナウイルス
王国：	興公ビラエ
門:	ウロウイルス亜綱
クラス：	カウドビリセテス
家族：	ストラボウイルス科
属:	テクアトロウイルス
種：	大腸菌ウイルスT4
系統[2]
腸内細菌ファージC16 腸内細菌ファージF10 腸内細菌ファージFs-α 腸内細菌ファージPST 腸内細菌ファージSKII 腸内細菌ファージSKV 腸内細菌ファージSKX 腸内細菌ファージSV3 腸内細菌ファージT2 腸内細菌ファージT4 腸内細菌ファージT6
同義語[3]
腸内細菌ファージT4

大腸菌T4ウイルスは、大腸菌に感染するバクテリオファージの一種で、ストラボウイルス科のテベンウイルス亜科に属する二本鎖DNAウイルスです。T4は溶菌ライフサイクルのみを経ることができ、溶原性ライフサイクルは経ることができません。この種は以前は T-evenバクテリオファージと名付けられていましたが、この名前には、他の株（または分離株）の中でも、腸内細菌ファージT2、腸内細菌ファージT4、腸内細菌ファージT6も含まれています。

1940年代に遡り、現在も研究が続いているT-evenファージは、最もよく研​​究されているモデル生物であると考えられています。モデル生物は通常、5個程度の遺伝子を持つ単純なものでなければなりません。しかし、T-evenファージは実際には最大かつ最も複雑なウイルスの1つであり、これらのファージの遺伝情報はおよそ300個の遺伝子で構成されています。その複雑さと同時に、T-evenウイルスは核酸塩基シトシンの代わりに珍しい塩基ヒドロキシメチルシトシン（HMC）を持っていることがわかりました。^[4]

T4ウイルスの二本鎖DNA ゲノムは約169 kbpの長さで^[5]、289個のタンパク質をコードしています。T4ゲノムは末端冗長性があります。DNA複製時に、おそらくローリングサークル複製機構によって、複数ゲノム長の長いコンカテマーが形成されます。^[6]パッケージ化されると、コンカテマーは同じ長さの非特異的な位置で切断され、元のゲノムの循環順列を表す複数のゲノムが生成されます。 ^[7] T4ゲノムは真核生物のようなイントロン配列を持っています。

シャイン・ダルガルノ配列GAGGはウイルスT4初期遺伝子で優勢であるが、配列GGAGは初期mRNA分解を開始するT4エンドヌクレアーゼRegBの標的である。 ^[8]

T4 は比較的大きなウイルスで、幅約 90 nm、長さ 200 nm です (ほとんどのウイルスの長さは 25～200 nm です)。DNA ゲノムは、カプシドとも呼ばれる正二十面体の頭部に保持されています。^{[9] T4 の尾部は中空になっており、付着後に感染細胞に}核酸を渡すことができるようになっています。T4 のようなミオウイルス科のファージは、尾部の組み立てと機能に関与する多数のタンパク質を含む複雑な収縮性尾部構造を持っています。^[10]尾部の繊維は宿主細胞表面受容体を認識する上でも重要なので、細菌がウイルスの宿主範囲内にあるかどうかを判断します。^[11]

13 種類のタンパク質 (遺伝子産物 5、5.4、6、7、8、9、10、11、12、25、27、48、53) の 127 個のポリペプチド鎖で構成される 6 メガダルトンの T4 ベースプレートの構造が、最近、原子レベルで詳細に説明されました。gp54 によって形成される尾管の近位領域と主管タンパク質 gp19 の原子モデルも作成されました。巻尺タンパク質 gp29 はベースプレート - 尾管複合体に存在しますが、モデル化できませんでした。^[12]

バクテリオファージ（ファージ）T4ウイルス粒子の組み立て中、ファージ遺伝子によってコードされる形態形成タンパク質は、特徴的な配列で互いに相互作用する。ウイルス感染中に生成されるこれらのタンパク質のそれぞれの量を適切なバランスに保つことは、正常なファージT4形態形成にとって重要であると思われる。^[13] ウイルス粒子の構造を決定するファージT4によってコードされるタンパク質には、主要な構造成分、マイナーな構造成分、および形態形成シーケンスの特定のステップを触媒する非構造タンパク質が含まれる。^[14]ファージT4の形態形成は、YapとRossmanによって詳述されているように、頭部、尾部、および長尾繊維の3つの独立した経路に分けられる。^[15]

T4ウイルスは、大腸菌細胞の表面にあるOmpCポリンタンパク質とリポ多糖類（LPS）をロングテールファイバー（LTF）で結合させることで、大腸菌 感染を引き起こします。 ^{[16] [17]}認識信号がLTFを介してベースプレートに送られます。これにより、大腸菌細胞表面に不可逆的に結合するショートテールファイバー（STF）がほどけます。ベースプレートの構造が変化し、テールシースが収縮し、テールチューブの端にあるGP5が細胞の外膜を突き破ります。 ^[18] GP5のリゾチームドメインが活性化され、ペリプラズムペプチドグリカン層を分解します。膜の残りの部分が分解され、ウイルスの頭部のDNAがテールチューブを通過して大腸菌細胞に侵入できるようになります。^[要出典]

1952年、ハーシーとチェイス^[19]は、ファージDNAがタンパク質とは異なり、感染時に宿主細菌細胞に入り込み、ファージの遺伝物質となるという重要な証拠を示した。この発見は、DNAが一般的にさまざまな生物の遺伝物質であることを示唆した。^[要出典]

溶菌ライフサイクル（細菌への侵入から破壊まで）は、約30分（37℃）かかります。毒性バクテリオファージは、侵入後すぐに細菌宿主内で増殖します。子孫ファージの数が一定量に達すると、宿主を溶解または分解し、放出されて新しい宿主細胞に感染します。^[20]宿主の溶解と放出のプロセスは、溶菌サイクルと呼ばれます。溶菌サイクルは、感染細胞とその膜の破壊を伴うウイルス増殖のサイクルです。このサイクルでは、ウイルスが宿主細胞とその増殖機構を乗っ取ります。したがって、ウイルスが増殖して宿主細胞に感染するには、5つの段階を経る必要があります。^[要出典]

• 吸着と浸透（すぐに開始）
• 宿主遺伝子発現の停止（即時開始）
• 酵素合成（5分後に開始）
• DNA複製（10分後に開始）
• 新しいウイルス粒子の形成（12分後に開始）

ライフサイクルが完了すると、宿主細胞が破裂して新しく構築されたウイルスを環境に放出し、宿主細胞を破壊します。T4 の破裂サイズは、感染した宿主 1 体あたり約 100～150 個のウイルス粒子です。^{[引用が必要]}

ベンツァー（1955年 - 1959年）は、rIIA遺伝子とrIIB遺伝子に欠陥のあるバクテリオファージT4変異体を使用して、遺伝子の微細構造を研究するためのシステムを開発した。^{[21] [22] [23]} 使用された技術は、特に欠失変異間の組換えを検出するための相補性試験と交配であった。これらの遺伝学的実験により、遺伝子内の変異部位のユニークな線形順序が発見された。この結果は、遺伝子がDNAの長さに相当する線形構造を持ち、独立して変異できる多くの部位を持つという重要な考えを強力に裏付ける証拠となった。^[要出典]

他のすべてのウイルスと同様に、T-even ファージは宿主の表面にランダムに付着するのではなく、宿主の表面にある特定のタンパク質構造である受容体を「探して」結合します。これらの受容体はファージによって異なります。テイコ酸、細胞壁タンパク質、リポ多糖、鞭毛、線毛はすべて、ファージが結合する受容体として機能します。T-even ファージが宿主に感染してライフサイクルを開始するには、感染の最初のプロセス、つまり細菌細胞へのファージの吸着を実行する必要があります。吸着はファージと宿主のペアの価値特性であり、宿主細胞表面へのファージの吸着は、可逆的および不可逆的な 2 段階のプロセスとして示されます。これには、ファージの尾部繊維がファージを宿主の適切な受容体に結合するのに役立つときに始まる、ファージの尾部構造が関係します。このプロセスは可逆的です。ベースプレートの1つまたは複数のコンポーネントが、ファージと細菌の不可逆的な結合プロセスを媒介します。^{[引用が必要]}

浸透もまた、ファージ宿主感染の重要な特徴であり、細菌内部へのファージの遺伝物質の注入を伴う。核酸の浸透は不可逆吸着段階の後に起こる。ファージ核酸の浸透に関わるメカニズムは、各ファージに固有のものである。この浸透メカニズムには、電気化学的膜電位、ATP分子、ペプチドグリカン層の酵素分解が関与する可能性があり、またはこれら3つの要因すべてが細菌細胞内部への核酸の浸透に不可欠である可能性がある。T2バクテリオファージ（T4様ファージ）の浸透メカニズムに関する研究が行われており、ファージの尾部は細菌細胞壁内部に浸透せず、このファージの浸透には内膜の電気化学的膜電位が関与することがわかっている。^{[24] [25]}

ウイルスT4ゲノムは、ローリングサークル複製を使用して宿主細胞内で合成されます。^[6] 生細胞でのDNA複製にかかる時間は、ウイルスに感染した大腸菌でのウイルスT4 DNA伸長速度として測定されました。^[26] 37°Cでの指数関数的なDNA増加期間中、速度は1秒あたり749ヌクレオチドでした。 ウイルスT4 DNA合成中の複製あたりの塩基対あたりの変異率は10 ⁻⁸あたり1.7であり、^{[27] 300コピーあたり1つのエラーのみという非常に正確なDNAコピーメカニズムです。 このウイルスは、独自の}DNA修復メカニズムもコードしています。 ^[28] T4ファージヘッドは、後で分解される足場タンパク質の周りに空のまま組み立てられます。 そのため、DNAは小さな孔を通ってプロヘッドに入る必要があり、これは最初にDNAと相互作用するgp17のヘキサマーによって達成され、モーターとヌクレアーゼとしても機能します。 T4 DNAパッケージングモーターは、1秒間に最大2000塩基対の速度でDNAをウイルスカプシドにロードできることがわかっています。そのパワーは、規模を拡大した場合、平均的な自動車エンジンと同等になります。^[29]

ウイルスの複製と増殖の最終段階は、宿主細胞からのウイルス粒子の放出によって決まります。ウイルス粒子の放出は、細菌の細胞膜が破壊された後に起こります。エンベロープを持たないウイルスは、ウイルスタンパク質がペプチドグリカンまたは膜を攻撃することで宿主細胞を溶解します。細菌の溶解は、細胞内のカプシドが細胞壁を破壊する酵素リゾチームを放出することで起こります。放出されたバクテリオファージは他の細胞に感染し、それらの細胞内でウイルスの増殖サイクルが繰り返されます。^{[引用が必要]}

多重性再活性化（MR）は、それぞれが不活性化ゲノム損傷を含む2つ以上のウイルスゲノムが感染細胞内で相互作用して、生存可能なウイルスゲノムを形成するプロセスです。サルバドール・ルリアは、1946年に紫外線照射されたウイルスT4を研究していたときにMRを発見し、観察された損傷ウイルスの再活性化は組換えメカニズムによって起こると提唱しました。（参照文献^{[30] [31] [32] ）これは、1952年に}ハーシー・チェイス実験によって関連ウイルスT2でDNAが遺伝物質として確認される前のことでした。^[19]

ルリア (1984、^[33] 97 ページ) が回想しているように、放射線照射を受けたウイルスの再活性化 (「多重再活性化」と呼ばれる) の発見は、すぐに初期のファージ グループ内での放射線損傷の修復に関する研究の活発な活動を開始しました(1981 年にバーンスタイン^[28]がレビュー)。後に、ルリアが発見した相互援助による損傷ウイルスの修復は、DNA 修復の特殊なケースの 1 つに過ぎないことが判明しました。細菌やそのウイルスだけでなく、研究されているすべての生物 (ヒトを含む) のすべての種類の細胞は、DNA 損傷を修復するための複雑な生化学的プロセスを持つことが現在では知られています ( DNA 修復を参照)。DNA 修復プロセスは、老化、癌、不妊症の予防に重要な役割を果たすことも現在では認識されています。^[要出典]

MR は通常、「生存曲線」によって表され、多重感染細胞 (多重複合体) のプラーク形成能力の生存がゲノム損傷剤の投与量に対してプロットされます。比較のために、単一感染細胞 (単一複合体) のウイルス プラーク形成能力の生存もゲノム損傷剤の投与量に対してプロットされます。上の図は、紫外線の投与量を増やした場合のウイルス T4 多重複合体および単一複合体の生存曲線を示しています。生存は対数スケールでプロットされているため、多重複合体の生存が単一複合体の生存を非常に大きく上回っていることは明らかです (投与量によって異なります)。多重複合体の UV 不活性化曲線には、最初の肩があります。多重複合体の生存曲線に肩がある他のウイルス T4 DNA 損傷剤は、X 線^{[34] [35]}とエチルメタンスルホン酸 (EMS) です。^[28]肩の存在は、2 つの組換えプロセスが使用されていることを意味すると解釈されています。^[36]最初の経路はDNAを高効率に修復するが（「ショルダー」）、損傷が増加するにつれてその能力は飽和する。2番目の経路はあらゆるレベルの損傷で機能する。多重複合体から放出された生存T4ウイルスは変異の増加を示さず、紫外線照射ウイルスのMRが正確なプロセスであることを示している。^[36]

下の図は、DNA損傷剤マイトマイシンC（MMC）によるT4ウイルスの不活性化の生存曲線を示しています。この場合、多重複合体の生存曲線には最初の肩がなく、上記の2番目の組換え修復プロセスのみがアクティブであることを示唆しています。このプロセスによる修復の効率は、1,000個の単一複合体のうち1個しか生存できないMMCの量で、多重複合体の約70％が生存するという観察によって示されています。同様の多重複合体生存曲線（肩なし）は、DNA損傷剤P32崩壊、ソラレンと近紫外線照射（PUVA）、N-メチル-N'-ニトロ-N-ニトロソグアニジン（MNNG）、メチルメタンスルホン酸（MMS）、亜硝酸でも得られました。^[28]

T4ウイルスのMRに必要であると判明した遺伝子のいくつかは、原核生物、真核生物、古細菌における組換えに必須の遺伝子の相同遺伝子であることが判明した。これには、例えば、大腸菌のRecAおよび真核生物の相同タンパク質RAD51 、古細菌のRadAと3次元構造相同性を持つタンパク質を特定するT4遺伝子uvsX ^{[37]が含まれる。MR中のDNA損傷の効率的かつ正確な組換え修復は、真}核生物の減数分裂中に起こる組換え修復プロセスに類似している可能性が示唆されている。^[38]

バクテリオファージは、 1915年にイギリスの科学者フレデリック・トゥールト、1917年にフェリックス・デレルによって初めて発見されました。 1930年代後半、T. L. ラキエテンは、未処理の下水の混合物か、未処理の下水に感染した大腸菌の溶解物を、ミリスラフ・デメレックとウーゴ・ファーノの2人の研究者に提案しました。この2人の研究者は、大腸菌からT3、T4、T5、T6を分離しました。また、1932年には、研究者J. ブロンフェンブレンナーがT2ファージを研究し、ウイルスからT2ファージを分離しました。^[39]この分離は、下水ではなく糞便から行われました。いずれにせよ、マックス・デルブリュックはT偶数ファージの発見に関わっていました。彼の役割は、バクテリオファージをタイプ 1 (T1)、タイプ 2 (T2)、タイプ 3 (T3) などに命名することであった。^{[引用が必要]}

T4ウイルスが分離された具体的な時期と場所は不明だが、下水か排泄物から見つかった可能性が高い。T4と類似のウイルスは、1944年11月にトーマス・F・アンダーソン、マックス・デルブリュック、ミリスラフ・デメレックによる論文で説明されている^。[40] 1943年、サルバドール・ルリアとデルブリュックは、細菌のファージ耐性の突然変異は、選択に対する反応ではなく、選択がない場合に生じることを示した。[ 33 ] ¹⁹⁴³年以前の細菌学者の間での伝統的な見解では、細菌には染色体も遺伝子もないと考えられていた。ルリア・デルブリュックの実験では、細菌も他の確立されたモデル遺伝生物と同様に遺伝子を持ち、それが自発的に突然変異して突然変異体を生み出し、それが繁殖してクローン系統を形成する可能性があることが示された。その年、彼らは別のファージ実験者であるアルフレッド・ハーシーとも協力し始めた。 ^[41]（3人は「ウイルスの複製メカニズムと遺伝学に関する研究」により、 1969年のノーベル生理学・医学賞を共同受賞した。）

ファージグループはマックス・デルブリュックを中心とした生物学者の非公式ネットワークであり、主にバクテリオファージT4に関する基礎研究を行い、20世紀半ばの微生物遺伝学と分子生物学の起源に数多くの独創的な貢献をした。1961年、ファージグループの初期のメンバーであったシドニー・ブレナーは、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所でフランシス・クリック、レスリー・バーネット、リチャード・ワッツ・トービンと共同で、タンパク質の遺伝コードの基本的な性質を実証する遺伝子実験を行った。^[42] ファージT4のrIIB遺伝子の変異体を使用して行われたこれらの実験では、タンパク質をコードする遺伝子の場合、遺伝子のDNAの連続する3つの塩基が、タンパク質の連続する各アミノ酸を指定することが示された。したがって、遺伝コードはトリプレットコードであり、各トリプレット（コドンと呼ばれる）が特定のアミノ酸を指定する。また、タンパク質をコードする DNA 配列ではコドンが互いに重複しておらず、そのような配列は固定された開始点から読み取られるという証拠も得られました。^{[引用が必要]}

1962年から1964年にかけて、T4ファージの研究者らは、実験室条件下でファージの増殖に必須のほぼすべての遺伝子の機能を研究する機会を提供した。^{[43] [44]これらの研究は、2種類の}条件致死変異体 の発見によって促進された。そのような変異体の1つのクラスは、アンバー変異体として知られている。^[45] 条件致死変異体の別のクラスは、温度感受性変異体と呼ばれている。 ^[46] これら2種類の変異体の研究は、数多くの基本的な生物学的問題に対するかなりの洞察につながった。こうして、DNA複製、修復および組換えの機構に用いられるタンパク質の機能と相互作用、およびウイルスがタンパク質と核酸成分から組み立てられる方法（分子形態形成）についての理解が得られた。さらに、連鎖終結コドンの役割が解明された。注目すべき研究の1つは、T4ファージの主要な頭部タンパク質をコードする遺伝子に欠陥のあるアンバー変異体を使用した。^[47]この実験は、タンパク質のアミノ酸配列は、そのタンパク質を決定する遺伝子のヌクレオチド配列によって指定さ れるという、広く信じられていたが1964年以前にはまだ証明されていなかった「配列仮説」に強力な証拠を提供した。したがって、この研究は、遺伝子とそのコードされたタンパク質の共線性を実証した。

マックス・デルブリュック、サルバドール・ルリア、アルフレッド・ハーシー、ジェームズ・D・ワトソン、フランシス・クリックなど、多くのノーベル賞受賞者がT4ウイルスやT4類似ウイルスの研究をしました。T4ウイルスの研究をした他の重要な科学者には、マイケル・ロスマン、シーモア・ベンザー、ブルース・アルバーツ、ギセラ・モシグ、^[48]リチャード・レンスキー、ジェームズ・ブルなどがいます。

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• ウイルスゾーン: T4 様ウイルス
• T4バクテリオファージが大腸菌に感染するアニメーション
• T4バクテリオファージDNAパッケージングのアニメーション