細菌の染色体とプラスミド

細菌は通常、その遺伝子の大部分を単一の、通常は環状の染色体上に保持しており、これはヌクレオイドと呼ばれる密な領域に凝縮されています。また、独立して複製するより小さなDNA分子であるプラスミドを保持している場合もあります。染色体は細胞が生存するために必要な中心的な遺伝子を保持していますが、プラスミドはしばしば、抗生物質耐性や病原性などの付随的な遺伝子を運び、これらは細胞間で移動することができます。

Definition

細菌の染色体は細胞の主要なゲノムであり、通常はヌクレオイドに凝縮された単一の環状DNA分子です。プラスミドは、付随的な遺伝子を運び、染色体とは異なる、より小さく自律的に複製するDNA分子です。

Scope

このトピックでは、細菌ゲノムがどのように組織化され、パッケージ化されているか、染色体DNAと染色体外（プラスミド）DNAの区別、プラスミドの複製と維持、そして移動性付随遺伝要素としてのプラスミドの役割について扱います。これは構造と機能に関する参照概要であり、臨床的なガイダンスではありません。

Core questions

• 細菌の染色体はどのように組織化され、ヌクレオイドに凝縮されるのですか？
• 染色体DNAとプラスミドDNAを区別するものは何ですか？
• プラスミドはどのように複製し、分裂する集団内で安定に維持されるのですか？
• プラスミドはどのような種類の付随機能を一般的に担っていますか？

Key concepts

• 環状細菌染色体
• ヌクレオイドと染色体凝縮
• 超らせん化とヌクレオイド関連タンパク質
• プラスミドとレプリコン
• 複製起点
• プラスミドのコピー数と不適合性
• 毒素-抗毒素維持システム
• 付随（耐性および病原性）遺伝子

Mechanisms

ほとんどの細菌ゲノムは、細胞よりも数桁長い単一の環状染色体として組織化されており、Wangらがレビューしたように、超らせん状のループに折りたたまれ、ヌクレオイド関連タンパク質やコンデンシン様機構によってヌクレオイドに組織化されています。プラスミドは独立したレプリコンであり、それぞれが独自の複製起点（origin）を持ち、染色体とは独立して複製します。コピー数と不適合群は、複製制御システムによって決定されます。低コピー数プラスミドの安定した遺伝は、分配システムと、Gerdesらがプラスミドを失った娘細胞を選択的に殺すメカニズムとして説明している、毒素-抗毒素遺伝子座を介した分離後殺傷によって強化されます。プラスミドおよび関連する可動要素は、抗生物質耐性決定因子などの遺伝子を個体群全体に広めることができる付随ゲノムとして機能します。

Clinical relevance

プラスミドは、細菌間での抗菌薬耐性および特定の病原性遺伝子の拡散の主要な媒体であり、そのためその生物学は耐性疫学を理解する上で中心的な役割を果たします。この項目は、染色体とプラスミドの生物学をメカニズムレベルで説明するものであり、診断や治療の決定の根拠となるものではありません。

History

プラスミドという用語は、1952年にJoshua Lederbergによって染色体外遺伝決定因子を指すために導入され、その後の研究によりプラスミドが自律的なレプリコンであることが確立されました。プラスミドが伝達可能な耐性遺伝子を運ぶことの認識、そして後にWangらがレビューしたヌクレオイド組織のゲノムスケールおよびイメージング研究は、構造化された染色体と移動性付随ゲノムを伴う現代の概念を洗練させました。

Key figures

• Joshua Lederberg
• Stanley Cohen
• Kenn Gerdes

Seminal works

• wang-2013
• smillie-2010
• frost-2005

Frequently asked questions

染色体とプラスミドの違いは何ですか？

染色体は生命に不可欠な中心遺伝子を運び、通常は単一の大きな環状分子であるのに対し、プラスミドはより小さく、独立して複製するDNA分子であり、付随的でしばしば伝達可能な遺伝子を運びます。

なぜプラスミドは抗生物質耐性にとって重要なのでしょうか？

多くの耐性遺伝子はプラスミド上に存在し、これらは細菌間で複製され伝達されるため、耐性が細菌集団内および細菌集団間で急速に広がることを可能にします。