フォスミド

フォスミド

フォスミド（fosmid）は、遺伝子クローニングに用いられるベクターの一種です。特に、複雑なゲノムから比較的大きなDNA断片を安定して保持する目的で開発されました。その基本的な原理はコスミドと類似しており、約40キロベース（kb）という、コスミドと同程度のサイズのDNA断片を組み込むことが可能です。フォスミドの最大の特徴は、大腸菌の性決定因子であるFプラスミドに由来する特別な複製機構を利用している点にあります。この仕組みにより、組み込んだDNA断片（インサート）の安定性が飛躍的に向上しています。

開発の背景

真核生物のゲノムは、ヒトゲノムに代表されるように、多数の反復配列や複雑な構造を含んでいます。このようなゲノムの全体像を把握するために、ゲノムDNAを小さな断片に切断し、それぞれをベクターに組み込んで大腸菌などの宿主細胞内で増殖させる「ゲノムライブラリ」が作成されます。

しかし、反復配列が多いゲノム断片を従来のベクター（プラスミドやコスミドなど）に組み込んだ場合、宿主細菌内で相同組換えが頻繁に起こりやすいという問題がありました。相同組換えは、DNAの再編や部分的な欠失を引き起こし、せっかくクローニングしたDNA配列が元のゲノム配列から変化してしまう、すなわち「ライブラリが不安定になる」原因となります。このようなインサートの不安定性は、その後の正確な遺伝子解析を妨げる大きな課題でした。

ライブラリの安定性を向上させるための一つの方法として、相同組換えに関わる宿主細菌の遺伝子に変異を導入し、組換え能力を低下させた株を利用することが試みられました。しかし、組換え機構は細菌の生存にも関わるため、これを完全に排除することは難しく、根本的な解決には至っていませんでした。

BACの開発とフォスミドの登場

このような背景から、より安定性の高いゲノムライブラリの構築を目指し、新しいベクターシステムが研究されました。その一つが、細菌人工染色体（Bacterial Artificial Chromosome, BAC）です。BACは、Fプラスミドの複製と分配に必要な遺伝子群（oriS, repE, parA, parBなど）を活用することで、約300kbという非常に大きなDNA断片を、大腸菌1細胞あたり1〜2分子という低コピー数で安定に保持することを可能にしました。インサートのコピー数を低く保つことで、細胞内での組換えの機会を減らし、安定性を実現したのです。

BACは巨大なゲノム断片を安定に保持できる強力なツールでしたが、その操作には特別な機器や熟練した技術が必要であり、プラスミドやコスミドと比較して煩雑であるという側面がありました。

そこで、BACで実証されたFプラスミド由来の安定な複製機構の利点を、より手軽に扱えるコスミドの原理と組み合わせるという発想で開発されたのがフォスミドです。フォスミドは、コスミドが持つλファージのcosサイトを利用してDNAをパッケージングする機構と、BACが持つFプラスミド由来の低コピー数維持機構を兼ね備えています。これにより、約40kbというコスミドサイズのDNA断片を、BACに匹敵する高い安定性で保持しつつ、コスミドに近い簡便さでライブラリを作成・維持することが可能になりました。

興味深いことに、BACとフォスミドは同じ研究チームによってほぼ同時期に開発されました。学術論文として先に発表されたのはフォスミドに関するものでしたが、その後、より大きなゲノム断片をクローニングできるBACが、特にゲノムプロジェクトにおいて広く利用されるようになりました。

特徴のまとめ

フォスミドは、約40kbのDNA断片をクローニングできるベクターであり、特にFプラスミド由来の複製機構によるインサートの高い安定性が最大の利点です。これにより、反復配列が多い複雑なゲノムのライブラリを、配列の再編や欠失のリスクを抑えながら構築できます。操作の簡便さではBACに優るため、特定の用途においては現在でも有効なツールとして利用されています。

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