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分子クローニングにおいて、ベクターとは、通常DNAである外来核酸配列を人工的に別の細胞に運び込み、そこで複製および/または発現させるための媒体として使用される粒子（例えば、プラスミド、コスミド、ラムダファージ）のことである。[ 1 ]外来DNAを含むベクターは組換えDNAと呼ばれる。ベクターの主な4つのタイプは、プラスミド、ウイルスベクター、コスミド、および人工染色体である。これらのうち、最も一般的に使用されるベクターはプラスミドである。[ 2 ]すべての人工ベクターに共通するのは、複製起点、マルチクローニングサイト、および選択マーカー である。
ベクター自体は通常、挿入配列（この場合はトランスジーン）と、ベクターの「バックボーン」となるより大きな配列からなるDNA配列を保持しています。遺伝情報を別の細胞に伝達するベクターの目的は、通常、標的細胞内で挿入配列を分離、増殖、または発現することです。すべてのベクターはクローニングに使用できるため、クローニングベクターと呼ばれますが、クローニング専用に設計されたベクターもあれば、転写やタンパク質発現など、他の目的のために特別に設計されたベクターもあります。標的細胞内でトランスジーンを発現させるために特別に設計されたベクターは発現ベクターと呼ばれ、通常、トランスジーンの発現を促進するプロモーター配列を持っています。転写ベクターと呼ばれるより単純なベクターは、転写はできますが翻訳はできません。発現ベクターとは異なり、標的細胞内で複製はできますが発現はできません。転写ベクターは、挿入配列を増幅するために使用されます。
DNAの操作は通常、大腸菌ベクター上で行われます。大腸菌ベクターは、 大腸菌内で維持するために必要な要素を含んでいます。しかし、ベクターは酵母、植物細胞、哺乳類細胞などの他の生物内で維持できる要素も持っている場合があり、これらのベクターはシャトルベクターと呼ばれます。このようなベクターは、細菌またはウイルスの要素を持っており、非細菌性の宿主生物に伝達される可能性があります。しかし、異種からの遺伝物質の伝達を避けるために、遺伝子内ベクターと呼ばれる他のベクターも開発されています。[ 3 ]
標的細胞へのベクターの挿入は、細菌細胞の場合は通常形質転換[ 4 ]、真核細胞の場合はトランスフェクション[ 5 ]と呼ばれますが、ウイルスベクターの挿入は形質導入と呼ばれることが多いです[ 6 ] 。
プラスミドは、宿主細胞の複製機構を利用して複製可能な、二本鎖の染色体外DNA配列であり、一般的には環状である。[ 7 ]プラスミドベクターは、宿主内でプラスミドの半独立的な複製を可能にする複製起点から最小限に構成されている。プラスミドは、例えば大腸菌など多くの細菌に広く見られるが、サッカロミセス・セレビシエなどの酵母など、少数の真核生物にも見られることがある。[ 8 ]細菌プラスミドは、接合性/伝達性および非接合性である可能性がある。
特殊な構造を持つプラスミドは、クローニング目的で実験室でよく使用されます。これらのプラスミドは一般的に非接合性ですが、特に複数の制限酵素切断部位を持つ「マルチクローニングサイト」など、多くの特徴を持つ場合があります。これにより、トランスジーンを挿入できます。プラスミドを含む細菌は、数時間で細菌内でベクターを数百万コピー生成でき、増幅されたベクターは細菌から抽出してさらに操作できます。プラスミドは転写ベクターとしてのみ使用される場合があり、そのようなプラスミドにはタンパク質発現に重要な配列が欠けている場合があります。タンパク質発現に使用されるプラスミドは発現ベクターと呼ばれ、リボソーム結合部位、開始コドン、終止コドンなど、タンパク質の翻訳に必要な要素が含まれます。
ウイルスベクターは、非感染性に改変されたウイルスDNAまたはRNAを運ぶ遺伝子操作されたウイルスであり、ウイルスプロモーターとトランスジーンを含んでいるため、ウイルスプロモーターを介してトランスジーンを翻訳することができます。しかし、ウイルスベクターは感染性配列を持たないことが多いため、大規模なトランスフェクションにはヘルパーウイルスまたはパッケージングラインが必要です。ウイルスベクターは、挿入された遺伝子を宿主ゲノムに永続的に組み込むように設計されていることが多く、トランスジーンが組み込まれた後、宿主ゲノムに特徴的な遺伝子マーカーを残します。例えば、レトロウイルスは挿入後に特徴的なレトロウイルス統合パターンを残し、これは検出可能であり、ウイルスベクターが宿主ゲノムに組み込まれたことを示します。
人工染色体は、酵母人工染色体（YAC）、細菌人工染色体（BAC）、またはヒト人工染色体（HAC）の文脈で製造された染色体です。人工染色体は、他のベクターよりもはるかに大きなDNA断片を運ぶことができます。 [ 9 ] YACとBACは、最大30万ヌクレオチド長のDNA断片を運ぶことができます。人工染色体の3つの構造的要件には、複製起点、セントロメア、およびテロメア末端配列が含まれます。[ 10 ]
クローン化された遺伝子の転写は、遺伝子の発現が必要な場合にベクターの必須要素です。1つの遺伝子は転写によって増幅され、翻訳によってタンパク質が生成されるテンプレートとなるmRNAの複数のコピーが生成されます。 [ 11 ] mRNAの数が多いほど、より多くのタンパク質が発現され、生成されるmRNAのコピー数は、ベクターで使用されるプロモーターに依存します。[ 12 ]発現は構成的である場合があり、これはタンパク質がバックグラウンドで常に生成されることを意味します。または、誘導的である場合があり、これは、たとえば化学的誘導物質が添加されたときなど、特定の条件下でのみタンパク質が発現することを意味します。これら2つの異なるタイプの発現は、使用されるプロモーターとオペレーターのタイプに依存します。
ウイルスプロモーターは、通常、多くの細胞株や細胞型で確実に一定の転写を強制するため、プラスミドやウイルスベクターでの構成的発現によく使用されます。[ 13 ]誘導発現は、誘導条件に反応するプロモーターに依存します。たとえば、マウス乳腺腫瘍ウイルスプロモーターはデキサメタゾン適用後にのみ転写を開始し、ショウジョウバエ熱ショックプロモーターは高温後にのみ開始します。
一部のベクターは転写専用に設計されており、例えば試験管内でのmRNA産生などに使用されます。これらのベクターは転写ベクターと呼ばれます。転写ベクターにはポリアデニル化や終結に必要な配列が含まれていない場合があるため、タンパク質産生には使用できない可能性があります。
発現ベクターは、ベクターの挿入配列の転写とそれに続くmRNAの翻訳によってタンパク質を生成するため、より単純な転写のみを行うベクターよりも多くの構成要素を必要とします。異なる宿主生物での発現には異なる要素が必要となりますが、転写開始のためのプロモーター、翻訳開始のためのリボソーム結合部位、および終結シグナルなど、共通の要件も存在します。
真核生物発現ベクターには、以下の遺伝子をコードする配列が必要です。
現代の人工的に構築されたベクトルは、すべてのベクトルに見られる必須要素を含み、一部のベクトルにのみ見られるその他の追加機能を含む場合がある。