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形質転換プロセスの背後：細菌はどのようにして DNA を巧みに吸収し、生存能力を向上させるのか？
微生物学および細胞生物学の研究では、「コンピテンス」とは、細胞が環境から外来 DNA を吸収してゲノムを変化させる能力を指し、このプロセスは「形質転換」として知られています。細菌の自然な能力と人工的に誘発された能力の違いは、自然な能力は自然環境と実験室での自然な遺伝子設定の下で生成されるのに対し、人工的な能力は細胞に DNA を瞬時に渡す実験室処理によって生成されるという点です。この能力により、細胞は環境の変化に素早く適応し、DNAを修復することができ、生存能力が大幅に向上します。
自然能力の研究は、科学者フレデリック・グリフィスが、死にゆく病原菌が無害な細菌の遺伝子型を変える可能性があることを発見した1928年に始まりました。
1928 年のグリフィスの発見に続き、1944 年にオズワルド エイブリーらがさらにこの「形質転換因子」が純粋な DNA であることを確認し、DNA が細胞の遺伝情報の運搬体であることを明らかにしました。
DNA取り込みのメカニズム研究室では、科学者は通常、遺伝子組み換えされた断片またはプラスミドである外来 DNA を提供します。細胞は特定のメカニズムを使用してこれらの DNA を細胞の内部に輸送します。 DNA が細胞内に入ると、DNA 複製やその他の代謝機能に使用するためにヌクレオチドに分解されることがあります。あるいは、DNA 修復酵素によって細胞のゲノムに組み換えられることもあります。この組み換えによって細胞の遺伝子型が変化すると、その細胞は形質転換されたとみなされます。
多くの天然の能力を持つ細菌では、特定の外部フィラメントが二本鎖 DNA に結合し、多成分タンパク質複合体を介してそれを送達します。
容量規制
実験室培養では、自然の能力は厳しく制御されていることが多く、栄養不足や環境条件の悪さによって引き起こされることがよくあります。しかし、特定の誘導シグナルと制御メカニズムは種によって大きく異なります。科学者たちは、sxy（tfoXとしても知られる）など、能力の形成を制御できるいくつかの転写因子を発見しました。胞子を形成できる細菌では、胞子を誘発する条件は通常、胞子形成能を誘発する条件と一致します。したがって、胞子形成細胞を含む培養物には、コンピテント細胞も含まれることがよくあります。
能力の進化的機能と結果
自然能力の進化的機能に関する主な提案は、現在、遺伝的多様性に影響を及ぼす選択的利点、ヌクレオチドの供給源としての DNA の取り込み、および相同組み換えによる損傷した DNA の修復における選択的利点の 3 つのカテゴリに大別されます。
いくつかの研究では、細菌の形質転換が、遺伝的多様性を高める上で、高等生物の性行動と同様の役割を果たしている可能性が示唆されているが、この見解にも理論的な難しさがある。
もう一つの仮説は、DNA を摂取した細胞は DNA と RNA の合成に不可欠な DNA を構成するヌクレオチドにアクセスできるようになるため、DNA は食物源として機能するというものです。
DNA損傷修復の仮説細菌の場合、DNA 損傷の問題はストレスの期間、特に混雑や飢餓の状況下での酸化ストレス時に最も顕著になります。したがって、一部の細菌はこれらのストレス下で能力を誘導し、これも形質転換が DNA 修復を助けるという仮説を裏付けています。実験により、DNA 損傷処理を受けた細胞は、形質転換を受けていない損傷細胞よりも生存率が高くなることがわかっています。
水平遺伝子伝達
この能力は細菌に長期的な利益をもたらす可能性があるが、場合によっては、異なる遺伝子の組み合わせを通じて耐性やその他の利点を付与することも可能かもしれない。ゲノムの複雑な性質は、細菌が遺伝子の水平伝播を可能にする能力を持っていることを明確に示しており、遺伝的多様性を高め、細菌の進化のプロセスをサポートします。
急速に変化する環境に直面して、細菌はどのようにしてこの能力を巧みに利用して自らを安定させ、外界に適応するのでしょうか?
