DNAを転送する

転移DNA（略してT-DNA）は、アグロバクテリウム・ツメファシエンスやアグロバクテリウム・リゾゲネス（実際はRiプラスミド）などの細菌種の腫瘍誘発（Ti）プラスミドの転移DNAである。T-DNAは細菌から宿主植物の核DNAゲノムに転移される。^[1]この特殊な腫瘍誘発（Ti）プラスミドの能力は、宿主細胞へのDNA転移に必要な2つの必須領域に起因している。T-DNAは、両端が25塩基対の繰り返しで区切られている。転移は右境界から開始され、左境界で終了し、Tiプラスミドの vir遺伝子を必要とする。

細菌のT-DNAは約24,000塩基対の長さで^{[2] [3] 、}オパインや植物ホルモンを合成する酵素をコードする植物発現遺伝子を含んでいます。T-DNAを植物ゲノムに移すことで、細菌は本質的に植物細胞を再プログラムして腫瘍に成長させ、細菌のための独自の食料源を作り出します。T-DNAにコード化された酵素による植物ホルモンのオーキシンとサイトカイニンの合成により、植物細胞が過剰増殖し、​​アグロバクテリウム・ツメファシエンス感染によって典型的に誘発されるクラウンゴール腫瘍が形成されます。^[4]アグロバクテリウム・リゾゲネスは毛状根病として知られる同様の感染症を引き起こします。オパインは細菌が炭素源とエネルギー源として利用するアミノ酸誘導体です。植物におけるこの自然な水平遺伝子伝達のプロセスは、アグロバクテリウム・ツメファシエンスを介した外来遺伝子の形質転換と挿入変異誘発を通じて、植物生物学における基礎研究と応用研究のツールとして利用されている。 ^{[5] [6]植物ゲノムは}、T-DNAバイナリベクターにホストされている配列を送達するためにアグロバクテリウムを使用することで操作することができる。

T-DNA の宿主細胞への感染プロセスと核への組み込みには、複数のステップが含まれます。まず、細菌は感染前に傷口の樹液中で増殖し、次に植物細胞壁に付着します。約 10 個のオペロンの細菌毒性遺伝子の発現は、傷ついた植物組織から放出されるアセトシリンゴンなどのフェノール化合物の感知によって活性化され、細胞間接触に続きます。次に、このプロセスは、アグロバクテリウムから宿主細胞の細胞質への高分子 転座、T-DNA と関連タンパク質 ( T 複合体と呼ばれる) の宿主細胞核への伝達、それに続く T 複合体の分解、T-DNA の宿主植物ゲノムへの安定した組み込み、そして最終的に伝達された遺伝子の発現へと進みます。T-DNA の宿主ゲノムへの組み込みでは、Ti プラスミドの右境界の DNA に一本鎖の切れ目が形成されます。この切り込みにより、T-DNA遺伝子の左端から切断された右端まで一本鎖DNA領域が形成される。次に、一本鎖結合タンパク質が一本鎖DNAに付着する。DNA合成により一本鎖領域が置換され、左端領域での2番目の切り込みにより一本鎖T-DNA断片が放出される。さらに、この断片は宿主ゲノムに組み込むことができる。^[7]

アグロバクテリウムは、宿主細胞の核に侵入するための宿主植物防御応答のいくつかの経路に植物宿主因子と細胞プロセスを使用する制御システムを進化させることが知られています。T-DNAを標的宿主ゲノムに組み込むために、アグロバクテリウムは宿主植物因子と複数の相互作用を行います。^[7]宿主植物タンパク質と相互作用するために、多くのアグロバクテリウム毒性タンパク質がvir遺伝子によってコードされています。アグロバクテリウムの vir遺伝子発現はVirA-VirGセンサーを介して行われ、可動性の一本鎖T-DNAコピー（T鎖）が生成されます。VirB2の処理された形態は、形質転換に必要なT複合体の主要成分です。VirD2は、共有結合によって転移したT鎖の5 '末端をキャップするタンパク質であり、宿主細胞の細胞質に輸送されます。^{[8] [9]} VirE2は一本鎖DNA結合タンパク質で、おそらくは協同的結合によって宿主細胞質内のT鎖を覆っている。その後、インポーチンA、細菌VirE3、ダイニン様タンパク質などの宿主細胞タンパク質との相互作用を介して核内に誘導される。VirB5、VirB7（T複合体のマイナーコンポーネント）、VirD5、VirE2、VirE3、VirFなどの他の細菌毒性エフェクターも、宿主植物細胞のタンパク質と相互作用する可能性がある。^[10]

アグロバクテリウムを介したT-DNA伝達は、バイオテクノロジーのツールとして広く使用されています。20年以上にわたり、アグロバクテリウム・ツメファシエンスは、基礎研究や遺伝子組み換え作物の商業生産のために植物に遺伝子を導入するために利用されてきました。^[11]遺伝子工学では、腫瘍促進遺伝子とオパイン合成遺伝子がT-DNAから除去され、目的の遺伝子や選択マーカーに置き換えられます。選択マーカーは、どの植物が正常に形質転換されたかを判定するために必要です。選択マーカーの例には、ネオマイシンホスホトランスフェラーゼ、ハイグロマイシンBホスホトランスフェラーゼ（どちらも抗生物質をリン酸化します）、ホスフィノトリシンアセチルトランスフェラーゼ（グルタミン合成酵素の強力な阻害剤であるホスフィノトリシンをアセチル化して不活性化します）、またはBastaやBialophosなどの除草剤製剤があります。 ^[12]採用できる別の選択システムは、ホスホマンノースイソメラーゼなどの代謝マーカーの使用です。^{[13]次に、}アグロバクテリウムをベクターとして使用して、操作されたT-DNAを植物細胞に導入し、植物ゲノムに組み込みます。この方法は、外来遺伝子を持つトランスジェニック植物を生成するために使用できます。アグロバクテリウム・ツメファシエンスは、植物の遺伝子型、接種した組織の種類と年齢、ベクターの種類、アグロバクテリウムの株、選択マーカー遺伝子と選択因子、組織培養のさまざまな条件などの非常に重要な要素に配慮しながら、単子葉植物と双子葉植物の両方に外来DNAを効率的に導入できます。^[4]

T-DNAの移入と同じ手順は、挿入変異誘発による遺伝子の破壊にも使用できる。^[6]挿入されたT-DNA配列が突然変異を起こすだけでなく、挿入によって影響を受けた遺伝子に「タグ」が付けられる^[14]ため、T-DNA隣接配列として分離することができる。レポーター遺伝子は、プラスミドレプリコンおよび選択可能な抗生物質（ハイグロマイシンなど）耐性遺伝子とともに形質転換されるT-DNAの右端にリンクすることができ、シロイヌナズナにおけるT-DNA挿入誘導遺伝子融合の平均効率の約30％を明らかにすることができる。^[15]

逆遺伝学では、既知の遺伝子を破壊してその遺伝子の推定機能をテストし、誘発された突然変異が生物の表現型に与える影響を調べます。T-DNAタグ付け突然変異誘発では、T-DNA挿入突然変異による集団のスクリーニングを行います。既知のT-DNA突然変異のコレクションは、モデル植物シロイヌナズナ用に開発された個々の遺伝子の機能研究のためのリソースを提供します。^{[16] [17]}シロイヌナズナ におけるT-DNA挿入突然変異の例には、実生致死、サイズ変異、色素変異、胚欠陥、稔性低下、形態学的または生理学的に異常な植物など、多くのクラスの表現型に関連する突然変異が含まれます。^[18]

• 転送DNAバイナリシステム