大腸菌 遺伝子の命名法

大腸菌

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2024/01/14 00:04 UTC 版)

遺伝子の命名法

大腸菌の遺伝子は一般的には、機能が既知の場合、その機能に由来する4文字の頭字語によって斜体で示される。たとえばrecAは、相同組み換え(homologous recombination)におけるその役割+文字A、から名付けられた。機能的に関連する遺伝子は順に、recBrecCrecDなどと名付けられている。タンパク質の場合は、大文字の頭字語で名前が付けられている。例えばRecARecBなどであり、大腸菌ゲノムが配列決定された際に、すべての遺伝子がゲノム上で順番に番号が付けられ、b2819(=recD)などのb番号で表記された。この”b”の名前は、ゲノムシーケンスの取り組みを主導したFred B lattnerにちなんで作成された[57]。別の番号付けシステムは、日本でシーケンスされた別の大腸菌株W3110のシーケンスで導入され、JW(Japanese W3110)で始まる番号が使用されており、例えばJW2787(=recD)などである[61]。したがって、recD=b2819=JW2787となる。ただし、ほとんどのデータベースにおいて、それぞれに独自の番号付けシステムがあるため、注意が必要である。たとえばEcoGeneデータベース[62]では、recDにはEG10826使用される。最後に、ECK番号は、特に大腸菌 K-12のMG1655株の対立遺伝子に使用される[62]。遺伝子とその同義語の完全なリストは、EcoGeneやUniprotなどのデータベースから取得することが可能である。

プロテオミクス

いくつかの研究において、大腸菌プロテオームが調べられており、2006年までに4,237のオープンリーディングフレーム (ORF)のうち1,627(38%Iが実験的に特定されている[63]。大腸菌K-12株の4,639,221塩基対の配列中には、注釈が付けられた4,288個のタンパク質コード遺伝子があるが、そのうち38%は機能が特定されていない。シーケンスされた他の5つの微生物との比較により、広い系統間や狭い系統間、そして大腸菌内における類似遺伝子(遺伝子ファミリー)の分布を明らかにする研究が行われた。パラログ遺伝子によるタンパク質の最大のファミリーの一つとして、80個のABCトランスポーターが挙げられる。ゲノムは全体として、特に複製に関わるものについては、非常に体系化されている。ゲノムには、挿入配列(IS)要素、ファージの残骸、および水平移動によるゲノムの可塑性を示す異常な組成の他の多くのパッチも含まれている[57]

インタラクトーム

大腸菌のインタラクトームは、アフィニティー精製質量分析(AP/MS)を用いて、タンパク質間の相互作用の解析が進められている。

タンパク質複合体

2006年の研究では、K-12株の培養液から4,339種類のタンパク質を精製し、2,667種類のタンパク質の相互作用パートナーを報告している[64]。2009年の研究では、同じE. coli株のタンパク質間の5,993の相互作用を発見したが、これらのデータは2006年の論文に記載された相互作用と、ほとんど重複していなかった[65]

バイナリインタラクション

Rajagopalaは2014年に、ほとんどの大腸菌タンパク質を用いて体系的な酵母2ハイブリッドスクリーニングを実施し、合計2,234のタンパク質間相互作用を報告した[66]。この研究ではさらに、遺伝的相互作用とタンパク質構造を統合し、227のタンパク質複合体内における458の相互作用のマッピングも行った。

生命科学研究におけるモデル生物としての大腸菌

実験室培養の長い歴史とその操作のしやすさから、大腸菌は現代の生物工学と工業微生物学において重要な役割を果たしている[67]。例えば、Stanley Norman CohenとHerbert Boyerにより、プラスミド制限酵素を使用して組換えDNAを作成する手法が考案され、バイオテクノロジーの基礎となった[68]

大腸菌は異種タンパク質の生産を行う上でよく利用される宿主であり[69]大腸菌での組換えタンパク質の生産を可能にするさまざまなタンパク質発現システムが開発されている。タンパク質の高レベル発現を可能にするプラスミドを使用して、大腸菌に遺伝子を導入することで、特定のタンパク質を工業的発酵プロセスで大量生産することが可能となる。大腸菌を用いた組換えDNA技術の最初の有用なアプリケーションの1つは、ヒトのインスリンの生産である[70]

従来は大腸菌での発現が困難または不可能と思われていたタンパク質であっても、近年可能になりつつあるものも多く知られている。例えば、細胞膜周辺腔や細胞質で製造されると考えられている複数のジスルフィド結合を有するタンパク質は、ジスルフィド結合を可能にするように十分に酸化され[71]グリコシル化などの翻訳後修飾が安定性や機能のために必要となるタンパク質は、Campylobacter jejuniが持つN-結合型グリコシル化システムを導入した大腸菌において発現された[72][73][74]

改変された大腸菌細胞は、ワクチンの開発、バイオレメディエーションバイオ燃料の生産[75]酵素の生産などに利用されている[76][77]。例えば、K-12株は、酵素アルカリフォスファターゼ(ALP)を過剰発現する大腸菌の変異型である[78]。この変異は、この酵素をコードする遺伝子の欠陥が原因である。特に阻害作用を持たないタンパク質を生産している遺伝子は、構成的活性を持っていると言われています。この特定の変異型は、前述の酵素を単離および精製するために使用される[78]。またOP50株は、Caenorhabditis elegans培養の維持に使用される。他の例としては、recAとendAが欠損した大腸菌の変異型であるJM109株がある。この菌株が受精因子エピソームを持っている場合、この株は青/白のスクリーニングに利用できる[79]。recAの欠如は、余計なDNA断片の挿入制限の可能性を減らし、endAの欠如はプラスミドDNA分解を阻害するため、JM109はクローニングおよび発現系に有用である。

モデル生物

大腸菌微生物学研究のモデル生物として頻繁に使用されている。培養された菌株(例えばK12株)は実験室環境によく適応しており、野生型株とは異なり腸内で繁殖する能力を失っている他、多くの実験室株は バイオフィルムを形成する能力も失っている[80][81]。これらの機能は、野生型株を抗体やその他の化学的攻撃から保護するが、一方でエネルギーと材料リソースに多大な支出を必要とする。大腸菌は、光触媒作用を含む新しい水処理や滅菌方法に関する研究においても、代表的な微生物としてよく使用されている。標準的なプレートカウント法、連続希釈、および寒天ゲルプレート上での増殖により、既知の処理水量における生菌またはCFU(コロニー形成単位)の濃度を評価でき、材料の性能を比較評価することができる[82]

1946年に、ジョシュア・レーダーバーグJoshua Lederberg)とエドワード・テイタムEdward Tatum)は、大腸菌をモデル細菌として使用し、細菌の接合として知られている現象を発見した[83][84]大腸菌は、ファージの遺伝学を理解する最初の実験の不可欠な部分であり[85]シーモア・ベンツァーSeymour Benzer)などの初期の研究者は、大腸菌とファージT4を使用して遺伝子構造のトポグラフィーを解析した[86]。ベンツァーの研究以前は、遺伝子が線状構造であるのか、それとも分岐パターンがあるのかは不明であった[87]

大腸菌は、ゲノムが配列決定された最初の生物の1つである。大腸菌K-12株の完全なゲノムは、Science誌上で1997年に公開された[57]

2002年から2010年にかけて、ハンガリー科学アカデミーのチームがMDS42と呼ばれる大腸菌株を作成した。これは現在、ウィスコンシン州のScarab Genomics of Madison社から「Clean Genome. E.coli」という名前で販売されている[88]。この株では、親株(E. coli K-12 MG1655株)のゲノムの15%が除去され、分子生物学の効率を高めるようにIS要素偽遺伝子およびファージを除去して、トランスポゾンによって不活化されることが多いプラスミドにコード化された毒性遺伝子の維持を改善したものである[89][90][91]。生化学および複製機構は変更されていない。

ナノテクノロジーランドスケープエコロジーの可能な組み合わせを評価することにより、複雑な生息地ランドスケープをナノスケールの詳細で生成できる[92]。そのような合成生態系では、大腸菌を用いた進化的実験が行われ、島嶼生物地理学における適応の空間生物物理学をチップ上で再現する研究などが行われている。

応用利用

ヒトに対して、大腸菌の死骸を含んだ液体(大腸菌死菌浮遊液)が、直腸部に塗布されると、白血球が呼び寄せられるため、感染防御の役に立つことが知られており、これを利用した薬剤が実用化されている[93]。また、遺伝子組み換え技術を用いて、大腸菌にヒト型インスリンを作らせる遺伝子を導入して、インスリンを生産することに利用されている。他にも、顆粒球コロニー刺激因子 (G-CSF) や組織プラスミノーゲン活性化因子(t-PA)などの生産も、同様の方法で行われている。大腸菌に感光性を与えて撮像素子として利用できる研究も実施される[94]

大腸菌をプログラムしてハミルトン経路問題などの複雑な数学問題を解決しようとする研究も行われている[95]

非病原性大腸菌 Nissle 1917株(Mutaflor)およびE. coli O83:K24:H31株(Colinfant)[96][97]は、炎症性腸疾患を含むさまざまな胃腸疾患の治療のために、医薬品のプロバイオティック剤として使用されている[98][99]


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