第10章　プラスミドと薬剤耐性

10−1：複製調節

　プラスミドは大きく２群に分けられる。

（1）ゲノムサイズが概して小さく（10〜30kb）細菌あたり10〜40コピーあるもので、ColE1、多剤耐性　因子R6Kなど、

（2）ゲノムサイズが概して大きく（60〜100kb）細菌あたり１から３のコピーしかないもので、F 因子や、多剤耐性因子 RP4､ R6､ R1 など。

　プラスミドは細菌が二分裂するとき、両方の娘細胞に分配されなければ菌の中で存続出来ない。（1）と（2）のカテゴリーでその機構が違う。

（1）は、ともかく沢山のコピーが菌の中にあれば、確率的に１コピー位は必ず両方の細胞に行くであろう、という良い加減な（relaxed）機構を利用している。クロランフェニコル（CM）の存在下でも複製が起こり、菌を CM 処理することで菌体あたりのプラスミド収量を増加出来る。遺伝子工学で非常に良く使用される pBR322 もこのタイプである。

（2）は、細菌の染色体同様、プラスミドが厳密（stringent）に２つの細胞に配分される機構があると考えられるものである。CM 存在下で複製が起こらない。

10−2：Relaxed Control を受けるプラスミドの複製調節

10−3：Stringentな複製制御を受けるプラスミドの複製調節

　RepA 蛋白は RNA II から翻訳される。RNA II はレプレッサーである copB による負の調節を受けている。それと同時にRNA II の翻訳はRNA II と逆の極性を持つ copA の産物であるRNA Iによっても負の調節を受けている。

10−4：伝達調節

　薬剤耐性プラスミドを持った菌と持たない菌を混ぜると、耐性因子が伝達され感受性菌は耐性を獲得する。どうして、世の中の菌は全部耐性菌だけになってしまっていないのだろう。

　プラスミドは菌が普通の条件で生育するには不必要である。そればかりでなく、それだけ余分なDNA複製のエネルギーが必要なので、生育には不利でもある。

　プラスミドには、薬剤耐性や病原性を決める遺伝子が乗っている。いずれも、菌が自分に不利な条件で生き残る為に必要な性質である。そこで、そのような遺伝子は、菌の一部の集団に保存され、一旦、条件が悪くなればそれが全体の集団に伝達されるのが理想である。

　このような目的に適合する現象が２つ知られている。
　１つは plasmid elimination である。プラスミドは、染色体と独立して複製されるので、脱落する事が出来る。特に、上の分類で、ゲノムの大きい（2）のカテゴリーのものは、エチヂウムブロマイド存在下で増殖させると、プラスミドを失う。

　第２の機構は、やみくもにプラスミドが伝達されないようにする機構で fertility inhibition と呼ばれる。

　traJ は、それとは逆向きに転写される finP の遺伝子と５’側で重なっている。つまり、finP RNAは traJ mRNAのanti-sense RNAである。finP RNAは全く離れた遺伝子座にある finO の産物とcomplexを作りtraJ の翻訳を抑える。

10-4bis: プラスミド維持機構
　プラスミドが必要以上に伝達しない事も必要であるが、これが細胞分裂で、容易に失われるようでは、プラスミド自体存続出来なくなる。この機構として、toxin-antitoxin（TA）遺伝子がある。これは、細胞分裂の際に、プラスミドを受け取らなかった菌が選択的に死或いは障害に至る現象で、プラスミドの遺伝子が支配している。つまり、プラスミドが無いと菌の生残に不利になる機構をプラスミドが持っている、と云うことである。

　TA系は菌を殺す毒素(T)遺伝子とその作用を相殺する抗毒素(A)遺伝子からなり、TとＡとは遺伝子領域が重複している事が多い。その機構には２種類あり、一つはA遺伝子がanti-sense RNAでＴ遺伝子の翻訳を抑える場合(Type I)であり、他は毒素が安定で、これを安定性の悪い抗毒素が結合し中和している場合である(Type II)。

　Type Iの代表は上述のR1プラスミドのhok-sok遺伝子である。 hokは細胞膜を標的とする毒素をコードするが、そのmRNAは転写直後には翻訳されず3’側から消化され短くなって始めて翻訳可能となる（λファージのretro-regulationに似ている）。処が、sokのコードするmRNAは、hokのmRNAの5’領域と逆向き（anti-sense）塩基配列を持ち、短くなったhokのmRNAに結合する。出来た二重鎖RNAはRNase IIIで壊され、プラスミドを持った菌は自分自身を殺す毒素をコードする遺伝子をもっているのに、生き残る事になる。一方、プラスミドを受け取らなかった場合、hok mRNAは短くなって始めてsok mRAと結合する事、つまり長いmRNAである限り安定である事、hok、sok それぞれのRNAの崩壊速度の違い等が原因となって、転写可能なhok mRNAが残り毒素がどんどん作られて菌は死ぬことになる。

　Type IIの例としては同じR1プラスミドのDnaBを標的とするKid毒素に対するKis抗毒素など多くの例が知られている。プラスミドを受け取らないと、それぞれのmRNAの供給もなく、後は、毒素と抗毒素の残存で菌の生死が決まることになる。毒素の方が抗毒素より安定なので、プラスミドの無い菌には毒素だけ残り死ぬ（F. Hayes, Toxins-Antitoxins: Plasmid Maintenance, Programmed Cell Death, and Cell Cycle Arrest, Science, 301, 1496-1499, 2003）。
　TA遺伝子の系は、菌が自分自身を殺す遺伝子を持っていると云う点で後に述べるapoptosisに似ている。
　

10−5：Hfr と F'

　伝達の際の DNA複製は OriT から１方向に起こる。従って、菌の DNA複製に要するほぼ２倍の時間で、伝達 DNA 複製が完了する。故に、大抵は伝達の途中で伝達が中断される事となる。OriT は組み込まれた F 因子の中程にあるので、OriT より前方のゲノムは伝達されないことが多い。つまり、メスはオスの染色体 DNA の一部は受け取っても残りのF 因子の DNA までは受け取れないのでメスのままである。
　受け取られたオスの DNA の一部はメスの DNAと相同組み換えを起こす。結果、オスの遺伝子マーカーがメスに伝達される事となる。

　Hfr から F の正確な切りだしがおこれば、F^＋のオスになる。しかし、切り出しの時、非相同組換えにより、染色体 DNA の一部と一緒に F が出てくると、F' となる。F'lac は lac operon がこのようなプロセスで F に組み込まれているものである。

10−6：Transformation

　接合伝達は DNA が菌から菌へ pili を介した接合により伝達される現象である。しかし、菌から菌へと遺伝情報が伝達されるには、DNAが菌に導入されればよい。

　菌によっては、直接 DNA が菌に取り込まれ、その菌の DNA と組み換えを起こし、その菌の性質を変える。これを、transformation という。Avery の肺炎球菌の実験は、その例であり、DNA が遺伝情報の担い手である事を証明した実験である。

　DNA が感染性ファージ DNA やウイルスである場合transfection と云う。

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