プラスミド

プラスミド

プラスミドは、細胞の染色体DNAとは独立して存在する、比較的小さなDNA分子です。細胞内で自身を複製する能力を持ち、主に細菌や古細菌の細胞質中に広く見られます。また、酵母のような一部の真核生物にも存在が確認されています。形状は一般的に環状の二本鎖DNAですが、線状のものも存在します。

染色体DNAが生物の生命活動に必須の遺伝情報の大半を担うのに対し、プラスミドは通常、特定の環境下で宿主生物の生存に有利に働く補助的な遺伝子を運びます。例えば、抗生物質や重金属に対する耐性を付与する遺伝子、他の細菌を攻撃する物質を作る遺伝子、特定の栄養素を利用する能力を与える遺伝子などが知られています。また、細菌の接合（他の細胞への遺伝物質の受け渡し）に関わる遺伝子を持つものもあります。

歴史的背景

「プラスミド」という言葉は、1952年に分子生物学者のジョシュア・レーダーバーグによって初めて提唱されました。当初は染色体外に存在する遺伝的な要素全般を指す概念でしたが、これにはウイルスゲノムも含まれてしまうため、その定義は徐々に洗練されていきました。最終的には、自律的に複製する染色体外の遺伝要素として明確化され、ウイルスとは異なる存在として位置づけられました。

プラスミドの特性

プラスミドが細胞内で自律的に複製するためには、必ず自身の複製を開始するための特定のDNA領域、すなわち「複製起点」を備えています。この自己複製能力を持つ要素は「レプリコン」と呼ばれます。細菌のプラスミドにおける複製起点は、通常、プラスミド固有の複製開始タンパク質をコードする遺伝子や、特定の反復配列、ATリッチ領域など、複数の要素から構成されています。小型のプラスミドは宿主細胞の複製機構を主に利用しますが、大型のものになると自身の複製に必要な遺伝子の一部を自身でコードしている場合があります。

一部のプラスミドは、宿主の染色体DNAに組み込まれる性質を持ちます。原核生物において、このように染色体への組み込みと遊離を繰り返すプラスミドは「エピソーム」とも呼ばれます。

プラスミドが搭載する遺伝子は多岐にわたります。前述した耐性遺伝子や病原性因子、代謝機能関連遺伝子のほか、宿主細胞の表現型にほとんど影響を与えない「潜在プラスミド」も存在します。これらの遺伝子は、宿主生物が厳しい環境に適応したり、新たな能力を獲得したりする上で重要な役割を果たすことがあります。

プラスミドの物理的なサイズは非常に多様で、1キロ塩基対（kbp）以下のミニプラスミドから、時には数百万塩基対（Mbp）に及ぶメガプラスミドまであります。メガプラスミドは、その大きさから小さな染色体と区別がつきにくい場合もあります。また、細胞内に存在するプラスミドのコピー数も、1個から数百、条件によっては数千個と幅があります。このコピー数は、プラスミドの種類や複製調節機構によって決まります。

重要な特性として、「不和合性」が挙げられます。複製機構が似ている異なる種類のプラスミドは、同一の宿主細胞内に同時に安定して存在することが難しいという性質です。

分類

プラスミドはいくつかの観点から分類されます。

伝達能力: 細胞間で自身を移動させる能力に基づいて、共役プラスミド、非共役プラスミド、および中間的なプラスミドに分けられます。共役プラスミドは、他の細胞と結合し、自身のコピーを送り込むための遺伝子セット（性線毛などをコード）を持っています。
互換性: 同一細胞に共存できるかどうかに基づいて、互換性グループに分類されます。同じグループに属するプラスミドは、通常同時に存在できません。
機能: 搭載する遺伝子の機能によって分類されることもあります。主要なクラスには、接合能に関わるFプラスミド、抗生物質耐性を付与するRプラスミド、バクテリオシンを産生するColプラスミド、特殊な有機物を分解する分解プラスミド、宿主を病原性にする病原性プラスミド（アグロバクテリウムのTiプラスミドなど）があります。
核酸の種類: 大部分は二本鎖DNAですが、一本鎖DNAや二本鎖RNAで構成されるRNAプラスミドも知られています。RNAプラスミドは真菌や植物などに見られますが、RNAウイルスとの区別が難しい場合もあります。

遺伝子工学における応用

人工的に設計・構築されたプラスミドは、分子生物学や遺伝子工学において「ベクター」として広く利用されています。目的とする遺伝子をプラスミドに挿入し、宿主細胞（主に大腸菌など）に導入することで、その遺伝子を大量に複製したり、遺伝子産物（タンパク質など）を発現させたりすることが可能です。この技術は、基礎研究から産業、医療分野まで不可欠なものとなっています。

実験用のプラスミドベクターは、目的遺伝子を挿入するための特定の配列（クローニングサイト）、宿主細胞内での複製に必要な複製起点、そしてプラスミドを持つ細胞を選択するためのマーカー遺伝子（例えば抗生物質耐性遺伝子）など、様々な機能を持つように設計されています。プラスミドを細菌に導入するプロセスは形質転換と呼ばれ、導入された細胞は抗生物質を含む培地で選抜されます。

プラスミドを用いたクローニングは、比較的短いDNA断片（〜15 kbp程度）の増幅に適しています。より長い断片を扱う場合は、コスミドや人工染色体（BAC, YAC）などの別のベクターが用いられます。

応用例としては、組換えタンパク質の大量生産（インスリンなど）、遺伝子治療における治療遺伝子の導入（特定の疾患原因遺伝子の補完など）、疾患モデル動物・細胞の作製などがあります。特に、植物の遺伝子組み換えでは、アグロバクテリウムのTiプラスミドを改変したベクターが頻繁に使用されます。

プラスミドの細胞内維持

一部の天然プラスミドや宿主細胞には、細胞分裂時にプラスミドが娘細胞に確実に分配されるか、あるいはプラスミドを失った細胞を排除する仕組み（依存症システムや分離後殺傷システム）が備わっています。これは、プラスミドが持つ生存に有利な遺伝子を、集団内で維持するために重要です。しかし、研究用に開発された多くの人工プラスミドは、このようなシステムを持たないため、培養中に抗生物質を加えることで、プラスミドを保持する細胞を選抜・維持する必要があります。

研究における取り扱い

実験を行うにあたり、細菌からプラスミドDNAを単離する操作が頻繁に行われます。目的に応じて、少量のプラスミドを迅速に得る「ミニプレップ」や、大量かつ高純度のプラスミドを得る「マキシプレップ」といった手法があります。これらの抽出には、市販のキットが広く利用されています。

単離されたプラスミドDNAは、電気泳動などの手法で解析されます。同じプラスミドであっても、電気泳動時にはその立体構造（コンフォメーション）の違いにより、ゲル中を移動する速度が異なります。環状DNAが完全に無傷でねじれた「スーパーコイル状」の構造は、開環したり切断されたりした構造に比べてコンパクトなため、ゲル中を速く移動します。制限酵素を用いてプラスミド上の特定の部位を切断し、得られたDNA断片のサイズを調べることで、プラスミドの構造や挿入された遺伝子の確認を行うことができます。

情報資源

プラスミドを用いた研究を支援するため、様々なバイオインフォマティクスソフトウェアが開発されています。これらのツールは、プラスミドのDNA配列の管理、制限酵素サイトの予測、遺伝子挿入などの実験計画をコンピュータ上で行うのに役立ちます。

また、世界中の研究機関で作成された多様なプラスミドの情報や、そのDNA配列は、LMBPのような専門データベースや、NCBIのような公共データベースで公開されており、研究者はこれらの資源を利用して必要なプラスミドを入手したり、設計に役立てたりすることができます。

プラスミドは、微生物の適応や進化において重要な役割を果たす天然の要素であると同時に、現代の分子生物学研究やバイオテクノロジーにとって欠かせない基盤技術となっています。

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