相変異 (細菌)

相変異とは

相変異（Phase Variation）は、生物が急激な環境の変化に対応するための生物学的現象であり、ランダムな突然変異を伴わずに発現型を変化させることができます。具体的には、細菌の集団内で、各部分集団がタンパク質の発現をスイッチのようにオン・オフすることで表現型を切り替えます。この切り替えは、従来の突然変異率よりも高頻度（時には1%以上）で発生することが知られており、生物の集団に不均一性をもたらします。相変異は、特に病原性細菌の生態を理解する上で重要です。また、以前は免疫回避という文脈で研究されていましたが、現在ではサルモネラ属をはじめとした多くの細菌において広く見られています。

サルモネラ属菌における相変異

サルモネラ属菌は、そのフラジェリンタンパク質を多様に切り替えることで相変異を行います。これにより、異なる構造のべん毛を形成することができ、宿主に対する適応が進むとともに、特定のフラジェリンタイプに対する免疫応答を回避することが可能になります。例えば、宿主側で特定のフラジェリンタイプに適応した免疫応答が発生した場合、サルモネラ菌は相変異によってフラジェリンのタイプを切り替え、高親和性を持つ抗体やTCR、BCRからの攻撃を免れることができます。このメカニズムによって、サルモネラ菌は宿主の免疫応答により自身の集団が全滅することを防いでいます。

他にも、エシェリキア・コリ（大腸菌）や淋菌（Neisseria gonorrhoeae）などの細菌でも相変異が観察されており、その研究が進められています。

他の相変異メカニズム

相変異には様々なメカニズムがあります。例えば、部位特異的組換えでは、特定のDNA配列が後天的に切り替わることで遺伝子の発現に影響を与えることがあります。リコンビナーゼという酵素の働きによって短い標的配列内で組換えが行われ、遺伝子のスイッチが制御されます。この現象は大腸菌で観察され、特に線毛接着に関与する遺伝子の発現調節に利用されます。

挿入-切除は、遺伝子配列の中にトランスポゾンが挿入されることによって起こります。これにより特定の遺伝子の発現が調整されることがあります。

遺伝子変換

遺伝子変換も相変異の一形態です。淋菌のIV型線毛では、複数のPil遺伝子のコピーが存在し、一度に一つの遺伝子だけが発現します。この遺伝子のサイレントバージョンであるPilSが相同組換えを介してPilE遺伝子と結合することで、多様な線毛表現型を生み出します。

エピジェネティック修飾

エピジェネティック修飾による相変異では、DNAの配列自体は変化せず、化学的修飾により転写因子の結合が変わることで表現型が変わります。例えば、大腸菌の外膜タンパク質Ag43は、メチル化によって制御され、バイオフィルム形成や感染症に関連しています。

分割DNA鎖のミスペアリング

スリップストランドミスペアリング（SSM）という現象も、相変異の一つとして考慮されます。これは、DNAの複製中に短い反復配列のミスペアリングが生じることで、遺伝子発現に変化をもたらします。具体的には、短反復配列の数が変化することでプロモーターに関連する遺伝子の発現が調整されます。

まとめ

相変異は多様なメカニズムを通じて、生物が環境に適応するための重要な戦略となります。特に細菌においては、相変異はその生態や病原性に深く関与しており、今後の研究によってさらなる理解が進むことでしょう。

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