水平遺伝子伝達

水平遺伝子伝達は、親から子への遺伝以外の方法で、細菌間で遺伝物質が移動する現象である。形質転換、形質導入、接合を通じて、細菌は無関係な細胞から遺伝子全体または遺伝子クラスターを獲得することができ、これにより、抗生物質耐性や病原性などの新しい形質を、突然変異単独よりもはるかに速く獲得することが可能となる。

Definition

水平（または側方）遺伝子伝達とは、主に形質転換、形質導入、または接合を通じて、垂直遺伝以外の経路で細菌が他の細胞から遺伝物質を獲得することである。

Scope

このトピックでは、細菌の遺伝子伝達の3つの古典的な経路、それらを媒介する可動性因子、伝達を制限する障壁、および外来DNA獲得の進化的帰結について扱う。本稿は、臨床的ガイダンスとしてではなく、メカニズム的および進化的参照として主題を扱っている。

Core questions

• DNAが細菌間で水平に移動する主なメカニズムは何か？
• 細胞間で遺伝子を運ぶ可動性遺伝因子は何か？
• 外来DNAの取り込みと安定的な組み込みを制限する障壁は何か？
• 水平伝達は細菌の進化と耐性の拡散をどのように形成するか？

Key concepts

• 形質転換（遊離DNAの取り込み）
• 形質導入（ファージ媒介伝達）
• 接合（細胞間伝達）
• 可動性遺伝因子
• 統合・接合性エレメント
• 接合性プラスミド
• 伝達への障壁（制限修飾、CRISPR）
• ゲノムの可塑性とイノベーション

Mechanisms

水平遺伝子伝達は、ThomasとNielsenによって概説されているように、3つの古典的な経路で進行する。形質転換では、コンピテントな細胞が環境中の遊離DNAを取り込む。形質導入では、バクテリオファージが細菌DNAをパッケージングし、新しい宿主に送達する。接合では、Smillieらが記述し、WozniakとWaldorが記述しているように、通常、接合性プラスミドや統合・接合性エレメントによって駆動され、ドナーからレシピエントへ細胞間接触を介してDNAが直接伝達される。獲得されたDNAは、その後、制限修飾システムやCRISPR防御を含む宿主の障壁を回避し、染色体への組換え、または自律複製因子として安定的に維持される必要がある。Ochmanらは、このような事前に組み立てられた機能モジュールの伝達が細菌のイノベーションの主要な源であり、ゲノム間で観察される遺伝子内容の多様性の多くを説明すると主張した。

Clinical relevance

水平遺伝子伝達は、抗微生物薬耐性遺伝子や病原性遺伝子が、種間を含む細菌間で広がる主要なメカニズムであり、耐性病原体の出現を理解する上で極めて重要である。本項目はメカニズムを説明するものであり、臨床的決定の根拠となるものではない。

History

グリフィスの形質転換実験と、後にDNAが形質転換原理であることが特定されたことにより、細菌が他の細胞から遺伝可能な形質を獲得できることが初めて示された。接合と形質導入の発見により、3つの伝達経路が完成し、Ochmanらによって統合された比較ゲノミクスは、水平伝達が細菌ゲノムを形成する遍在的な力であることを確立した。

Debates

細菌の進化のどの程度が水平伝達によって駆動され、どの程度が垂直伝達によって駆動されるか？

比較ゲノミクスは、系統間で広範な遺伝子獲得を示しており、ゲノムの大部分が水平的に獲得されうる場合、単一の「生命の樹」が細菌の関係性をどれほど確実に捉えることができるかという疑問を提起している。

Key figures

• Frederick Griffith
• Joshua Lederberg
• Howard Ochman
• Matthew Waldor

Seminal works

• ochman-2000
• thomas-2005
• frost-2005

Frequently asked questions

細菌が遺伝子を水平に伝達する主な3つの方法は何か？

形質転換（環境からの遊離DNAの取り込み）、形質導入（バクテリオファージによって運ばれる伝達）、および接合（通常、接合性プラスミドまたはエレメントを介した、接触している細胞間の直接伝達）である。

水平遺伝子伝達は抗生物質耐性にとってなぜ重要なのか？

これにより、耐性遺伝子が種間を含む細菌間で移動できるようになるため、ある生物で発生した耐性形質が、細胞分裂を通じてのみ遺伝するのではなく、広範囲に拡散する可能性がある。