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T7発現系は、微生物学の分野で大腸菌株を用いて組換えDNAをクローニングするために利用されている。[ 1 ]これは、大腸菌で組換えタンパク質を発現させるための最も一般的なシステムである。[ 2 ]
2021年までに、このシステムは22万件以上の研究論文で記述された。[ 3 ]
T7バクテリオファージのゲノムの配列決定と注釈付けは、1980年代に米国エネルギー省ブルックヘブン国立研究所で、主任生物物理学者F.ウィリアム・スタディアーの指揮の下で行われた。間もなく、同研究所はT7 RNAポリメラーゼをクローニングし、強力なT7プロモーターとともに、ほぼあらゆる遺伝子を大量に転写することに成功した。[ 4 ] T7発現システムの開発は、ブルックヘブン国立研究所で開発された最も成功したバイオテクノロジーと考えられており、900社以上の企業にライセンス供与され、同研究所に5500万ドル以上の収益をもたらした。[ 5 ]
発現ベクター（最も一般的にはpET発現ベクター）は、2つの必須要素、すなわちT7プロモーターと、そのプロモーターの下流に位置し、プロモーターの制御下にある目的遺伝子を組み込むように設計されている。発現ベクターは、いくつかの関連する大腸菌株（最も頻繁にはBL21(DE3)）のいずれかに形質転換される。大腸菌細胞は独自のゲノムも持ち、その中にT7 RNAポリメラーゼを産生する遺伝子が存在する。（このポリメラーゼは、大腸菌に感染し、その細胞機構を乗っ取って複製し、宿主細胞を溶解する厳密に溶菌性のバクテリオファージウイルスであるT7ファージに由来する。BL21(DE3)では、T7 RNAポリメラーゼ遺伝子はλDE3プロファージ上に存在し、これは改変されたラムダファージであり、 lacUV5プロモーターの制御下で大腸菌染色体に組み込まれている。）T7 RNAポリメラーゼは、形質転換されたベクターのT7プロモーターで転写を開始する役割を担っている。 T7遺伝子自体はlacプロモーターの制御下にあります。通常、大腸菌細胞内ではlacプロモーターとT7プロモーターの両方がLacリプレッサーによって抑制されています。転写を開始するには、誘導物質がlacリプレッサーに結合し、T7遺伝子の発現抑制を阻止する必要があります。これが起こると、遺伝子は正常に転写され、T7 RNAポリメラーゼが生成されます。T7 RNAポリメラーゼは、発現ベクター上のT7プロモーターに結合し、下流の目的遺伝子の転写を開始します。このプロセスを促進するために、誘導物質であるIPTGをシステムに添加することができます。IPTGはアロラクトースの構造を模倣した試薬であり、lacリプレッサーに結合して遺伝子発現抑制を阻止することができます。十分な量のIPTGが添加されると、T7遺伝子は正常に転写され、T7プロモーターの下流にある目的遺伝子の転写も開始されます。[ 6 ]代替戦略としては、培地に IPTG を添加せずにタンパク質発現を誘導できる他の細菌株を含む自己誘導培地[ 7 ]がある。T7 プロモーターの制御下での組換えタンパク質の発現は、大腸菌RNA ポリメラーゼの制御下でのタンパク質発現よりも 8 倍速い。[ 8 ]細胞内の T7 RNA ポリメラーゼの基礎発現レベルは、バクテリオファージ T7 リゾチームによっても阻害され、その結果、リゾチーム活性が飽和するまで T7 RNA ポリメラーゼの蓄積が遅れる。[ 9 ]
COVID-19パンデミックの間、mRNAワクチンはModernaとPfizerによってウイルスの拡散に対抗するために開発されました。ModernaとPfizerはどちらも、ワクチンの製造に必要な大量のmRNAを生成するためにT7発現システムに依存しています。[ 10 ] [ 4 ]