T4ファージ

T4ファージ：詳細な解説

T4ファージ（T4バクテリオファージ）は大腸菌に感染するバクテリオファージの一種です。二本鎖DNAウイルスに分類され、ミオウイルス科に属しています。T4ファージの感染は溶菌性であり、宿主細胞を破壊して増殖します。

T4ファージの特性

溶菌性感染: 感染後、宿主細胞を溶菌し、新たなファージを放出します。
大型ゲノム: 約160種の遺伝子を持ち、ウイルスとしては最大級の大きさを誇ります。
モデル生物: ウイルス学や分子生物学の研究において、重要なモデル生物として利用されてきました。
ユニークなDNA: シトシンの代わりにヒドロキシメチルシトシン（HMC）を持ち、糖鎖修飾を受けます。

研究における利用

T4ファージは、その複雑なゲノム構造と特異な性質から、様々な研究分野で利用されています。

形質導入: 薬剤耐性の伝播機構の解明に貢献します。
溶原変換: 新しい酵素などの形質獲得に関する研究に役立ちます。
遺伝子工学: クローニングベクターとしての利用が可能です。
環境浄化: 自然環境下で水中の細菌を除去する作用があります。

ゲノム構造

T4ファージのゲノムは169kbpの二本鎖DNAで構成され、289のタンパク質をコードします。ゲノムは末端が重複しており、複製後にコンカテマーと呼ばれる直列多量体を形成します。パッケージングの際に、コンカテマーは元のゲノム長に切断され、巡回置換されたゲノムを生じます。また、真核生物のようなイントロン配列を含んでいます。

翻訳

T4ファージの初期遺伝子ではシャイン・ダルガノ配列（GAGG）が一般的ですが、この配列はmRNA分解酵素RegBの標的でもあります。

ウイルス粒子の構造

T4ファージの粒子は幅約90nm、長さ約200nmと、ウイルスとしては大型です。DNAゲノムはカプシドと呼ばれる正二十面体の頭部に格納されています。尾部は中空で、感染時に核酸を宿主細胞へ注入する際に使用されます。尾部は宿主細胞表面の受容体認識に重要な役割を果たします。

尾部の末端構造は複雑で、13種類のタンパク質から構成されています。尾管の主要部分はgp19で構成され、ものさしタンパク質gp29も存在します。

感染の過程

T4ファージは、long tail fiber (LTF) を介して大腸菌の細胞表面に結合します。この結合によりshort tail fiber (STF) が不可逆的に結合し、尾部の構造変化と収縮が起こり、尾管の末端にあるGP5が細胞外膜に穴を開けます。GP5のリゾチームドメインがペプチドグリカン層を分解し、DNAが細胞内へ侵入します。

増殖

T4ファージの溶菌サイクルは、37℃でおおよそ30分で完了します。感染後、ファージは宿主細胞内で自己増殖を開始し、一定数に達すると細胞を溶解して放出されます。この過程は以下のステップを含みます。

1. 吸着と侵入: 宿主細胞表面への吸着とDNAの注入。
2. 宿主遺伝子発現の抑制: 宿主細胞の機能を停止させます。
3. 酵素合成: ファージ自身の複製に必要な酵素を合成します。
4. DNA複製: ファージのDNAを複製します。
5. ウイルス粒子構築: 新しいウイルス粒子を組み立てます。

宿主細胞が崩壊する際に放出されるファージの数は、1個の菌体あたり100-150個です。

吸着と侵入の詳細

T4ファージは、菌体表面の特定の受容体に選択的に結合します。吸着は可逆的な結合（LTFによる）と不可逆的な結合（基盤による）の2段階で行われます。不可逆的な吸着後、尾部の鞘が収縮し、尾管が細胞壁と細胞膜に穴を開け、DNAが注入されます。

複製とパッケージングの詳細

T4ファージのゲノムは、宿主のローリングサークル複製によって合成されます。DNA複製は非常に正確で、独自のDNA修復機構を持っています。ファージの頭部は足場タンパク質の周囲に組み立てられ、DNAが格納されます。DNAの格納速度は非常に速く、溶菌サイクルにおいて形質導入も起こります。

放出

増殖の最終段階で、T4ファージは宿主細胞を溶解してウイルス粒子を放出します。この過程は、ウイルスタンパク質が細胞膜を破壊することで起こります。放出されたファージは、新たな宿主細胞に感染し、増殖サイクルを繰り返します。

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