T7ファージ

T7ファージ（バクテリオファージT7）は、特定の細菌に感染するウイルスの一種であるバクテリオファージの仲間です。特に大腸菌を主な宿主とし、その生活環において宿主細胞を破壊して増殖する溶菌サイクルのみを実行することが知られています。ポドウイルス科に分類され、遺伝情報として二本鎖DNAを持つのが特徴です。T7ファージが持つ独自のRNAポリメラーゼは、非常に速い転写速度と特定の配列（T7プロモーター）への高い親和性を示すため、分子生物学の分野で重要なツールとして利用されています。

構造

1945年に大腸菌に感染するファージの代表的な種として確立されたT7ファージは、外側にエンベロープを持たないDNAウイルスです。ウイルスの頭部にあたるカプシドは正二十面体の構造を取り、その内部に直線状の二本鎖DNAゲノムが収められています。カプシドの直径は約60〜61ナノメートル、その壁の厚さは約2ナノメートルです。ゲノムDNAは1983年にその全塩基配列が決定され、約40,000塩基対から成り、合計で55個の遺伝子が含まれています。これらの遺伝子の一部はT7ファージが増殖するために不可欠であり、それらは通し番号で識別されますが、必須ではない遺伝子には別の番号体系が適用されています。現在では、かつて非必須と考えられていたgp2.5、gp6.7、gp7.3が実際には必須である一方、gp7は必須ではないことが明らかになっています。

T7ファージの増殖に必要な主要なタンパク質は、ゲノム上の特定の遺伝子（gp）によってコードされています。例えば、gp1はT7ファージ独自のDNA依存性RNAポリメラーゼであり、感染初期に宿主大腸菌のRNAポリメラーゼによって転写された後、ウイルス遺伝子の大部分の転写とDNA複製に関与します。gp5はDNAポリメラーゼとして機能し、ウイルスゲノムの複製を担います。gp10は、フレームシフトと呼ばれるメカニズムによって二種類のタンパク質を生成し、これらはウイルスカプシドの主要な構成要素となります。gp14、gp15、gp16は複合体を形成し、カプシド内部の構造体（内郭）を組み立てます。これらのタンパク質は、構造タンパク質であるgp6.7やgp7.3と共に、大腸菌への感染時に菌体内に挿入されます。ウイルスの尾部の付け根から伸びる尾部繊維はgp17というタンパク質から構成され、3分子が束になって1本の繊維を形成し、これが6本伸びて宿主細胞表面への認識・結合に関わります。

生活環

T7ファージの宿主は大腸菌であり、特にLPSのO抗原が短いタイプに効率よく感染します。生活環は非常に短く、最適な温度である37℃では感染から新たなファージ粒子の放出までわずか17分程度で完了します。T7ファージの近縁種には他の腸内細菌に感染するものも存在しますが、これまでにグラム陽性菌に感染するT7様のファージは見つかっていません。

T7ファージのような溶菌性ファージの生活環は、大きく分けて吸着、侵入、DNA複製、タンパク質合成・組み立て、そして宿主細胞の溶菌・放出という段階を経て進行します。まず、T7ファージは尾部繊維タンパク質（gp17）を介して大腸菌の細胞表面にあるLPS（リポ多糖）に結合することで吸着します。吸着後、gp14、gp15、gp16からなる複合体が大腸菌の内膜と外膜を貫通するチャネルを形成します。gp15とgp16の働きにより、まずゲノムDNAの片方の端が菌体内に送り込まれ、その後はT7 RNAポリメラーゼによる転写と連動して、ゲノム全体が細胞内に侵入します。大腸菌は侵入した外来DNAを切断する制限酵素やRecBCDなどの防御機構を持っていますが、T7ファージはgp0.3やgp5.9といった遺伝子産物によってこれらの働きを阻害します。さらに、細菌が持つ獲得免疫システムであるCRISPRに対しても、T7ファージが対抗するメカニズムを備えている可能性が示唆されています。

細胞内に侵入したT7ファージのゲノムは、発現のタイミングによって初期遺伝子、中期遺伝子、後期遺伝子に分類されます。初期遺伝子群は、感染の非常に早い段階で宿主である大腸菌のRNAポリメラーゼによって転写されます。この中で、gp1によってコードされるT7 RNAポリメラーゼは、T7ファージ自身の増殖に不可欠な唯一の初期遺伝子産物です。T7 RNAポリメラーゼが一旦合成されると、それ以降の中期および後期遺伝子の転写はもっぱらT7 RNAポリメラーゼによって行われます。この段階では、宿主のRNAポリメラーゼはT7ファージの増殖を妨げる存在となるため、T7ファージはgp2というタンパク質を介して宿主RNAポリメラーゼの機能を抑制します。T7ファージは、増殖に必要な多くのタンパク質を自らの遺伝子から産生するため、宿主由来のタンパク質への依存度は低いとされています。宿主のRNAポリメラーゼ以外にT7ファージの増殖に必須とされる宿主因子は、DNA複製に関わるチオレドキシンと、（デオキシ）シチジン1リン酸キナーゼのみです。

T7ファージのゲノム複製は、ゲノムの左端から約15％の位置にある複製開始点から始まり、両方向に進行します。この複製プロセスには、T7 DNAポリメラーゼに加えて、T7 RNAポリメラーゼの機能も必要です。大腸菌に感染後約15分で、T7ファージのDNA分子は約200倍にまで増幅されます。この急速なDNA複製を支えるために必要なヌクレオチドなどの基質は、T7ファージが宿主大腸菌のゲノムDNAを分解することによって確保されます。gp3はエンドヌクレアーゼ活性、gp6はエクソヌクレアーゼ活性を持ち、これらが協調して宿主ゲノムの効率的な分解を行います。

増幅されたウイルスゲノムと合成されたウイルスタンパク質は集合して新たなファージ粒子を形成します。成熟した娘ウイルス粒子は、最後に複数のタンパク質を産生して宿主細胞膜を破壊し、菌体外へ放出されます。放出されたファージ粒子は、次の大腸菌に感染し、再び溶菌サイクルを開始させます。T7ファージは原則として宿主ゲノムに組み込まれる溶源化を行わず、必ず溶菌によって宿主細胞を破壊します。

研究と応用

T7ファージは、1945年の同定以来、生物学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。特に1969年に遺伝子地図が報告されて以降、そのDNA複製や転写に関わる酵素が生化学的に詳細に解析され、研究者の注目を集めました。T7ファージやその構成要素は、DNAの複製や転写の分子メカニズムを解明するための基礎研究に貢献してきただけでなく、分子生物学の様々な技術に応用されています。代表的な例として、目的のタンパク質を大量に生産するための遺伝子発現系、DNAの塩基配列を決定するDNAシークエンシング法、そして特定のタンパク質に結合するペプチドなどを探索するファージディスプレイ法などがあります。また、1945年の同定以前にも、1920年代にはファージ療法として、デレーユによって治療目的の研究が行われていたと考えられています。

T7 RNAポリメラーゼの利用

T7ファージ由来のRNAポリメラーゼは、宿主である大腸菌のRNAポリメラーゼと比較して圧倒的に速い転写速度を持ち、さらにT7プロモーターという特定の短いDNA配列を非常に高い特異性で認識するという特性があります。T7ファージの近縁種であるT3ファージのRNAポリメラーゼも高い相同性を示しますが、T7 RNAポリメラーゼはT3プロモーターを、T3 RNAポリメラーゼはT7プロモーターを認識できないほど、両者のプロモーター認識特異性は高いです。このT7 RNAポリメラーゼとT7プロモーターの高い特異性を応用して、分子生物学の研究分野では目的の外来遺伝子を効率的に発現させるためのT7発現系が開発されました。特に、1985年と1986年に報告されたシステムを発展させた大腸菌を宿主とするpETシステムは、このT7発現系の代表例であり、組換えタンパク質の大量生産に広く利用されています。

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