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微生物は外部 DNA をどのように利用して自身の遺伝子を変化させるのでしょうか? 細胞変換の秘密を解明しましょう!
微生物は地球上で最も古い生物であるだけでなく、環境から外来 DNA を吸収し、形質転換と呼ばれるプロセスを通じて自身の遺伝的特徴を変化させる驚くべき能力も持っています。このプロセスは「細胞能力」と呼ばれ、自然能力と人工能力に分けられます。天然の能力とは、細菌が自然環境で自然に持っている能力のことですが、人工の能力とは、実験室で特定の処理を施すことで細胞が一時的に DNA を透過できるようになる能力のことです。この能力により、細菌は外部環境の変化に素早く適応できるだけでなく、DNA の修復にも役立ちます。
自然能力の発見は、科学者フレデリック・グリフィスが特定の死んだ病原性細菌細胞が、関連する非病原性細胞に変化できることを実証した 1928 年にまで遡ります。
その後、科学者たちはこの「形質転換因子」が実は純粋な DNA であることを発見し、この発見は DNA が遺伝情報を運ぶという最初の強力な証拠となった。現在までに、自然能力はさまざまな細菌、特に枯草菌、肺炎球菌、淋菌、インフルエンザ菌において集中的に研究されてきました。研究の焦点には、DNA輸送メカニズム、さまざまな細菌における能力の制御メカニズム、能力の進化的機能などが含まれます。
研究室では、研究者は通常、遺伝子組み換えされた断片またはプラスミドのいずれかである DNA を提供します。 DNA は細胞内に入るとヌクレオチドに分解され、DNA の複製やその他の代謝機能に利用されます。
細胞内に入った DNA は、DNA 修復酵素によって細胞のゲノムに再構築される可能性があります。この組み換えによって細胞の遺伝子型が変化する場合、その細胞は形質転換されたと言われます。ほとんどすべての自然に能力のある細菌では、細胞外フィラメントの一部である IV 型線毛が細胞外で二本鎖 DNA に結合することができます。その後、DNA は多成分タンパク質複合体によって膜を越えて移動します。このプロセスは DNA 鎖の分解によって駆動されます。細胞内に進入した一本鎖 DNA は保存されたタンパク質 DprA によって結合され、その後 DNA は古典的な DNA 修復経路を介して相同組換えを媒介するタンパク質 RecA にロードされます。
自然の能力調節の下では、このプロセスは通常厳密に制御されており、栄養不足や悪条件によって引き起こされることが多いです。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) などのいくつかの転写因子が能力を制御し、その発現が 5' 非コード RNA 要素によって制御されることを発見しました。同時に、胞子を生成できる細菌は、胞子の生成を引き起こす条件下で形質転換できる細菌も通常持っています。したがって、胞子細胞を含む培養物またはコロニーでは、コンピテント細胞も見つかることがよくあります。自然に能力のある細菌のほとんどは、ほぼ同等の効率ですべての DNA 分子を取り込みますが、Neisseriaceae や Pasteurellaceae などの一部の細菌科は、取り込みシグナル配列を含む DNA 断片を優先的に取り込む傾向があります。
ある仮説によれば、細菌における形質転換は、遺伝的多様性を高める上で、高等生物における性別と同様の役割を果たす可能性がある。このプロセスを議論することについての理論的な懸念は残っていますが、全体的なタンパク質合成スイッチのコストが高いため、そのような仮説は困難です。
さらに、DNAが食物であるという仮説も科学界の注目を集めています。この仮説によれば、細胞は DNA を吸収することによってヌクレオチドを獲得しますが、これは DNA と RNA の合成に不可欠であるだけでなく、合成コストを節約します。実際、自然に有能な細菌の中には、環境 DNA からこれらの遊離ヌクレオチドを獲得するために周囲の環境にヌクレアーゼを分泌するものもあります。
異なる種の DNA 取り込みメカニズムの間には複雑な相互作用があり、これらの相互作用は選択的組み換えまたは機械的に効率的な取り込みに関連している可能性があります。もちろん、DNA損傷の研究をさらに深めていくと、逆境下で能力を誘導した細菌はDNA損傷に直面してもよりよく生き残ることができることがわかり、自然な能力と形質転換がDNA修復において重要な役割を果たす可能性があることを示唆しています。 . .
細菌ゲノムの複雑な性質は、コンピテンス誘導性の遺伝子水平伝播が進化の基盤である遺伝的多様性を促進するために不可欠であるという十分な証拠を提供します。
微生物が外部 DNA を通じて自己改変する能力は、本質的に、絶えず変化する環境の中で細胞がどのように生存し、増殖するかという秘密を明らかにします。しかし、このような変化の可能性に直面して、微生物のこの能力は将来の科学研究やバイオテクノロジーの発展にどのような影響を与えるとお考えですか?
