5号館を出て

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2010年 12月 28日 ( 2 )

 先週22日に届いた Nature communications の新着論文のお知らせメールに載っていたはずですが、完全に見落としていました。それが、とてもおもしろいということを ScienceDaily のニュースで認識させられました。

Bacteria Have One of Nature's First Immune Systems

 バクテリアは自然界で最初の免疫システムを持っていた


 タイトルだけではなんのことかわからないのですが、要するにバクテリアはゲノムの中にウイルス(バクテリオ・ファージ)の遺伝子を取り込むことで、ウイルスが中で増殖して破壊されてしまうことを阻止する(これが「免疫」ということでしょうか)だけではなく、ファージの遺伝子を積極的に利用して抗生物質に対する耐性のみならず、過酸化水素、酸や熱、浸透圧に対する抵抗性を獲得してパワーアップしていることがわかったというお話です。

 下の写真がバクテリア(茶色のソーセージのようなもの)に、たくさんのファージがとりついている電子顕微鏡写真(着色してあります)です。(Microbe May 2009 表紙より引用
ウイルス遺伝子をゲノムに取り込み進化するバクテリア_c0025115_19124492.jpg
 普通はこのあと、バクテリアの中にファージの遺伝子が注入されて、中でファージが増殖し、バクテリアが破裂して、中から大量のファージが飛び出してきます。つまり、バクテリアが殺されるわけです。

 分子生物学を勉強すると最初のところで習いますが、バクテリアの中に入ったファージの遺伝子が、バクテリアの遺伝子(ゲノム)の中に取り込まれてしまう(溶原化)という現象が知られており、この状況のままだとファージは増えず、バクテリアも死にません(下図の右側)。
ウイルス遺伝子をゲノムに取り込み進化するバクテリア_c0025115_19162237.jpg
 ところが、ある日ファージの遺伝子がバクテリアの遺伝子から飛び出して増殖を始めると、やはりバクテリアは殺されてしまうのです(上図の左側)。ここまでは昔から知られていた現象でした。

 バクテリアのゲノム中には、最大で20%ものファージ由来の遺伝子が取り込まれていることが知られていましたが、研究者の多くは遅かれ早かれそれらの遺伝子は飛び出してバクテリアを殺すものだと考えており、それらの遺伝子が「何かをしている」などとか考えてきませんでした。ところが・・・。

 せっかくオープンアクセスになっているので、原著論文を見てみましょう。htmlでもpdfでもお好きなスタイルでお読みください。
ウイルス遺伝子をゲノムに取り込み進化するバクテリア_c0025115_19234234.jpg
  「溶原化したプロファージ(ファージ遺伝子)がバクテリアの環境抵抗性を強化する」というようなタイトルです。

 まずは、大腸菌のゲノムの中にどのくらいファージの遺伝子が入っているかを調べます。
ウイルス遺伝子をゲノムに取り込み進化するバクテリア_c0025115_19263935.jpg
 リング状になった大腸菌のゲノムDNAの中に9個のファージ遺伝子があることがわかりました。これは、おそらく、前から知られていたことだと思います。

 次にこの9個の遺伝子を取り除いて「きれいにした」大腸菌を作ります。遺伝子工学ならお得意の技です。いままで「寄生」していたファージの遺伝子がなくなるのですから、そっちの大腸菌の方が「健康」になると予想するのが自然です。

 ところが、ファージの遺伝子をなくした大腸菌(白丸)は、その増殖能力が落ちていたのです。
ウイルス遺伝子をゲノムに取り込み進化するバクテリア_c0025115_19293875.jpg
 こういう「おやっ?」という結果が出てくると、研究者は燃えるものです。何か新発見があるにちがいないと、実験を続けます。

ウイルス遺伝子をゲノムに取り込み進化するバクテリア_c0025115_19304483.jpg

 この図は横になっていますが、左(もとは上段)にファージの遺伝子を持った大腸菌、右(下段)にファージの遺伝子を取り除いた大腸菌をいろいろな濃度で培養しているのですが、普通の培養液LBではさほどの差が出ませんが、nalidixic acid とか oxolinic acid といった抗生物質、あるいは単なる6%の食塩を入れた培養液では、ファージの遺伝子がなくなった大腸菌の増殖が極端に低下することが示されています。

 同じような実験を、9個のファージ遺伝子をすべて取り除いた△9と、1個ずつの遺伝子を取り除いたもので比較したものです。
ウイルス遺伝子をゲノムに取り込み進化するバクテリア_c0025115_1935294.jpg
 a,b が抗生物質、c が蒸留水処理、d は過酸化水素、e は酸、f は熱で処理して大腸菌がどのくらい生き残るかという実験です。熱ではあまり差がでていませんがその他の処理では9個のファージ遺伝子をすべて取り除いた場合には例外なく大きな影響が出ていますが、場合によってはひとつの遺伝子を取り除いただけでも大きく抵抗性が下がっているものもあります。

 つまり、複数のファージ遺伝子が強調して大腸菌を守るために働いていることを示しています。

 細菌は増殖して膜状になるバイオフィルムというものを作りますが、その形成能はどのファージ遺伝子が失われてもかなり影響を受けることがわかります。
ウイルス遺伝子をゲノムに取り込み進化するバクテリア_c0025115_1941255.jpg
 ただ、不思議なことにCP 4-57 というファージ遺伝子を取り除くとバイオフィルムの形成が逆に極端に高くなりますが、この時液中からは大腸菌が激減するということで、何かおかしなことが起こっているようです。

 というわけで、結果をまとめると大腸菌のゲノムに入ったファージの遺伝子は、ただ単に大腸菌を破壊しなくなるだけではなく、大腸菌をパワーアップするという働きをしていることが実験的に示された非常に重要な発見となりました。

 一般に寄生する生物は宿主の中に潜んでいる時に宿主が死んでしまうと自分が寄生する場所がなくなりますので、むやみと宿主を殺さないばかりか、時には宿主が死なないように「手助け」をすることがあると考えられています。

 今回の発見は、大腸菌という宿主の中に潜り込んで大腸菌の一部のようになってしまったウイルス(ファージ)が、最初は一時的に身を潜めていて、いずれ中で増殖して大腸菌を破壊して脱出するつもりだったのかもしれませんが、大腸菌ゲノムの一部として長い時間が経過するうちに、突然変異を起こして、大腸菌から抜け出す性質を失うと同時に、こんどは大腸菌をパワーアップする遺伝子として働き始めたというふうに考えることもできます。

 そうです。まさに寄生性のウイルスがバクテリアと共生するというふうに生き方を変えて、バクテリアのゲノムの一部になってしまったと解釈できる結果です。

 実は、バクテリアだけではなく、我々ヒトを初めとするあらゆる生物のゲノムの中にはウイルス由来のたくさんの遺伝子が入っていることが知られています。そういう遺伝子の歴史と働きを調べていくと、寄生性のウイルスが宿主のゲノムの一部となって「宿主と共生を始める」という、今まであまり考えられてこなかった新しい進化の道筋が見えてくるように思われます。

 この論文は、そうした新しい進化学研究の記念碑的論文になりそうな予感がします。

 おもしろいです。
by stochinai | 2010-12-28 20:10 | 生物学 | Comments(6)

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by stochinai | 2010-12-28 07:47 | コンピューター・ネット | Comments(0)

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