トランスダクション（形質導入）とは — バクテリオファージによる細菌間遺伝子伝達の仕組み

トランスダクション（形質導入）の仕組みを解説：バクテリオファージが媒介する細菌間遺伝子伝達と抗生物質耐性獲得のメカニズムをわかりやすく紹介。

トランスダクションとは、ウイルスによってDNAがバクテリアから別のバクテリアに移されるプロセスのこと。

ジョシュア・レダーバーグと大学院生のノートン・ジンダーは1952年、バクテリオファージがサルモネラ菌の細菌間で遺伝情報を伝達することを明らかにした。このプロセスにより、異なる種のバクテリアが同じ抗生物質に対して非常に早く耐性を獲得できることが説明された。

トランスダクションとは、外来のDNAをウイルスベクターを介して他の細胞に導入するプロセスのことである。これは、分子生物学者が外来遺伝子を宿主細胞のゲノムに導入する際に使用する一般的なツールである。

バクテリオファージが細菌細胞に感染すると、宿主である細菌細胞の複製装置、転写装置、翻訳装置を利用して、ウイルスDNAまたはRNAとタンパク質コートを含む多数の完全なウイルス粒子を作成するのが通常の再生方法である。このプロセスに誤りがあると、ウイルスが細菌から別の細菌へとDNAを引き継ぐことになる。

トランスダクションの種類

• 一般化トランスダクション（generalized transduction）：溶菌性（リティック）ファージが宿主細胞を破壊して新しいファージ粒子を作る過程で、誤って宿主（細菌）のランダムな断片DNAをファージの粒子に取り込む場合に起こる。これにより、ほとんど任意の宿主遺伝子が別の細菌に運ばれうる。
• 特殊化トランスダクション（specialized transduction）：溶原性（テンパレット）ファージが宿主のゲノムに組み込まれている（プロファージ状態）場合に、プロファージが不完全に切り離されるときに、ファージに隣接した特定の宿主遺伝子だけが一緒に切り出されて運ばれる。代表例はλファージによる大腸菌の特定遺伝子の移動。

分子レベルの仕組み（簡潔な流れ）

1. ファージが受容体を認識して細菌に吸着・侵入する。
2. ファージDNAが細胞内に注入され、宿主の複製・転写・翻訳系を利用してファージ構成要素が合成される。
3. 新しいファージ粒子を組み立てる過程で、まれに宿主のDNA断片がファージのカプシドにパッケージされる（パッケージングエラー）。
4. そのファージ粒子が別の細菌に感染すると、宿主由来DNAが注入される。
5. 注入されたDNAは、相同組換えや可動性遺伝因子を介して受容体のゲノムに組み込まれるか、プラスミドとして一時的に存在する。

生物学的・医療的な意義

• 水平遺伝子伝達（HGT）の一因：トランスダクションはバクテリア間で遺伝子が垂直継承以外の方法で広がる重要な経路であり、抗菌薬耐性遺伝子や毒性因子（バクテリアの病原因子）の伝播に寄与する。
• 進化と遺伝的多様性の促進：新しい遺伝子を獲得することで適応性が高まり、微生物集団の進化に影響する。
• 分子生物学的ツールとしての利用：ファージを利用した遺伝子導入（トランスダクション）は、細菌遺伝学の研究や遺伝子クローニングにおける有用な手法である（例：E. coliのP1ファージ、SalmonellaのP22などが実験的に用いられる）。

トランスダクションと他の遺伝子獲得手段との違い

• 形質導入（トランスダクション）：ファージ媒介。宿主DNAがファージ粒子に取り込まれて伝播する。
• 形質転換（トランスフォーメーション）：細胞外に存在する裸のDNAを取り込むプロセス（自然に起こる場合と、電気穿孔や化学処理で人工的に誘導する場合がある）。
• 形質接合（コンジュゲーション）：接合橋（ピリ）を介してプラスミドなどのDNAが直接細胞間で移される。

実験的検出と応用

• 研究では、トランスダクション周波数（transduction frequency）を測定して、どの程度遺伝子が移動するかを評価する。選択マーカー（抗生物質耐性や栄養要求の補完）を用いてトランスダクタントを選別するのが一般的である。
• ファージベクターは、遺伝子クローニングや遺伝子発現の制御実験、遺伝子欠損株の作製などに使われる。特定の範囲の宿主を標的にできるため、目的の細菌に対して効率的に遺伝子導入ができる利点がある。

制約と安全性

• トランスダクションはファージの宿主範囲に依存するため、すべての細菌間で起こるわけではない。
• 宿主の制限修飾系やCRISPRなどの免疫システムがトランスダクションを阻害する場合がある。
• 臨床的観点では、抗生物質耐性遺伝子や毒性遺伝子の拡散につながり得るため、公衆衛生上の懸念がある。実験室での取り扱いはバイオセーフティガイドラインに従う必要がある。

まとめ

トランスダクションはファージを介した重要な横方向の遺伝子伝達様式であり、微生物の進化や病原性、抗菌薬耐性の拡散に深く関わっている。実験的には強力な遺伝子導入法としても利用されるが、その宿主特異性や生態学的影響を理解し、適切な安全対策を取ることが重要である。

質問と回答

Q: 伝達とは何ですか?

Q:バクテリオファージが細菌間で遺伝情報を伝達する能力を発見したのは誰ですか?

Q:抗生物質耐性を理解する上で、なぜトランスダクションが重要なのですか?

Q: 分子生物学者が外来遺伝子を宿主細胞のゲノムに導入するために用いる一般的な手段は何ですか?

Q:バクテリオファージはどのようにして繁殖するのですか?

Q: バクテリオファージの複製過程でどのようなエラーが生じると、ウイルスがある細菌から別の細菌にDNAを持ち越すことになりますか?

Q: ウイルスベクターを通してどのように導入が起こるのですか?

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