Tiプラスミド

Tiプラスミド（Ti plasmid）、あるいは腫瘍誘発プラスミド（tumor inducing plasmid）は、アグロバクテリウム属に属する一部の細菌、特にAgrobacterium tumefaciensなどが保有する大型のプラスミドです。このプラスミドが植物に感染する能力を持つことから、クラウンゴール病と呼ばれる虫こぶ状の腫瘍形成を引き起こす原因となります。

進化的背景と分類

Tiプラスミドは、repABC遺伝子カセットという保存されたDNA領域を持つプラスミドのファミリーの一員であり、このファミリーはアルファプロテオバクテリア門の多くの細菌種に共通して見られます。repABCカセットは、プラスミドの複製、細胞分裂の際にプラスミドを娘細胞へ分配すること、そして細胞内でのコピー数を低く維持するために不可欠な役割を果たします。このファミリーのプラスミドは一般に大きく、Tiプラスミドのサイズは100kbpから2Mbpにも及びます。同じファミリーに属する有名なプラスミドとしては、Agrobacterium rhizogenesが持ち、植物に毛状根を誘導するRiプラスミドがあります。

Tiプラスミドの大きな特徴は、感染した植物細胞にオパインと呼ばれるアミノ酸や糖リン酸の誘導体を合成させる能力です。オパインはアグロバクテリウムにとって主要な栄養源となります。Tiプラスミドは、合成を誘導するオパインの種類によって分類され、主なものとしてノパリン型、オクトピン型、マンニチル型、アグロシノピン型などがあります。

歴史

植物にクラウンゴールを形成させる病原菌としてA. tumefaciensが同定されたことは、この病気の分子メカニズム研究の出発点となりました。1940年代には、二次腫瘍の内部には細菌細胞が見られないにもかかわらず、特定の細菌株が利用できるオパインが産生されることが発見され、細菌から植物細胞への遺伝物質の移行が強く示唆されました。しかし、当時の実験では、細菌のDNA単独では腫瘍は形成されず、DNA分解酵素が存在しても腫瘍形成が阻害されないことから、わずかな量の遺伝物質が保護された形で移行している可能性が推測されました。その後の研究で、病原性が接合によって非病原性株に移行することが示され、病原性株にのみ巨大なプラスミドが存在することが明らかになりました。最終的に、このプラスミドの一部が植物細胞内で検出され、これが植物に遺伝的影響を与える物質であることが確認されました。このプラスミドがTiプラスミドと名付けられ、その後の研究により、1970年代後半には遺伝子地図が作成され、1980年代から2000年代にかけては、病原性に関わるvir領域や植物ゲノムに移行するT-DNA領域の詳細な構造と機能が解明されていきました。

Tiプラスミドの複製、分配、維持

Tiプラスミドが細菌細胞内で安定に存在するためには、その複製、分配、維持が精密に制御される必要があります。これらの機能は、主にrepABC遺伝子カセットによって担われています。

複製: 複製はRepCタンパク質によって開始されます。RepCはプラスミド上の複製開始点（oriV）に特異的に結合し、DNA複製を開始させます。RepCはシス作用を示し、自身がコードされているプラスミドの複製のみを促進します。
分配: 細胞分裂時にプラスミドを娘細胞に均等に分配するシステムは、RepAとRepBタンパク質によって構成されます。これは他の細菌に見られるParA/ParBシステムに類似しており、RepAが形成するフィラメントと、RepBがプラスミド上の分配配列（parS）に結合してできる複合体が、プラスミドを細胞の両極へ誘導することで正確な分配を保証します。低コピー数で存在するTiプラスミドにとって、この分配システムは安定な維持に不可欠です。
維持（コピー数制御）: Tiプラスミドは通常、細胞内で低コピー数に維持されます。これは、主にRepCタンパク質の合成が厳密に調節されているためです。RepAはRepBとともにrepABCカセットの発現を抑制し、RepCのレベルを低く保ちます。さらに、repEという小さなアンチセンスRNAがrepCのmRNAに結合し、翻訳を阻害することでRepCの発現を低下させます。また、Tiプラスミドのコピー数はアグロバクテリウムのクオラムセンシングシステムによっても影響を受けます。細菌密度が高い状況では、特定のシグナル分子（オートインデューサー）が蓄積し、TraRという調節タンパク質を活性化させます。活性化されたTraRはrepABCカセットの発現を促進し、プラスミドのコピー数を増加させます。これは植物宿主内での病原性発揮に有利に働くと考えられています。

特徴的な領域

Tiプラスミドの病原性発現に直接関わる主要な領域は、vir領域とT-DNA領域です。

vir領域: この領域には、T-DNAを植物細胞へ輸送するために必要な多くの遺伝子がコードされています。vir遺伝子の発現は、細菌が植物の傷口から放出されるフェノール化合物などのシグナルを検知した際に活性化されます。このシグナル検知・応答システムは、二成分制御系であるVirAとVirGによって行われます。VirAがシグナルを感知して活性化すると、VirGをリン酸化します。活性化されたVirGはvir領域の各遺伝子のプロモーターに結合し、その発現を誘導します。vir領域には、T-DNAやエフェクタータンパク質の輸送装置を構成するvirBオペロン、病原性に関わるvirCオペロン、T-DNAのプロセシングや輸送に関わるvirDオペロン、T-DNAの核移行や保護を担うエフェクタータンパク質をコードするvirEオペロンなどがあります。また、一部のTiプラスミドには宿主植物の特異性に関わるvirFや、植物シグナル化合物の代謝に関わるvirHオペロンも存在します。
T-DNA領域: T-DNAはTiプラスミドのごく一部（約15〜20kbp）で、両端に24bpの境界配列が存在します。アグロバクテリウム感染時、この境界配列が認識されてT-DNA領域が切り出され、一本鎖DNA（Tストランド）として植物細胞の核へ輸送されます。核に入ったTストランドは、植物のゲノムDNAに組み込まれます。組み込まれたT-DNA上の遺伝子は植物細胞内で発現し、主に以下の2つの機能を発揮します。
植物ホルモン合成: 植物成長ホルモンであるオーキシンやサイトカイニンの合成に関わる酵素をコードし、植物細胞の異常な増殖を引き起こしてクラウンゴールを形成させます。
* オパイン合成: 細菌の栄養源となるオパインを合成する酵素をコードします。植物はオパインを利用できませんが、合成されたオパインは細胞外に分泌され、アグロバクテリウムが利用します。TiプラスミドのT-DNA以外の領域には、オパインを利用するための遺伝子が存在します。

T-DNA輸送装置

Tiプラスミドは、自身のプラスミド全体を細菌間で伝達する接合と、T-DNA領域を植物細胞へ輸送するという、二つのタイプの遺伝物質輸送を行います。これらのプロセスは、どちらもIV型細菌分泌装置（T4SS）と呼ばれる分子複合体によって実行されます。T-DNAが植物細胞へ輸送される際には、まずVirD2などのリラクサーゼがT-DNAの境界配列でニックを入れ、Tストランドを遊離させます。このTストランドは、VirBタンパク質とVirD4から構成されるT4SS輸送チャネルへと導かれます。VirD4は輸送を開始させる共役因子として機能し、VirBタンパク質群が細胞膜と細胞壁を貫通するチャネルを形成します。Tストランドは、このチャネルを通って細菌から植物細胞内へと送り込まれます。

生物工学における利用

アグロバクテリウムのT-DNAを植物ゲノムに組み込む能力は、植物の遺伝子組換え技術に不可欠なツールとして応用されています。この技術では、クラウンゴールを誘導する遺伝子を取り除き、目的とする遺伝子をT-DNAの境界配列の間に挟み込んだ人工的なプラスミドを作製し、これをアグロバクテリウムに導入します。アグロバクテリウムが植物に感染すると、その自然なT-DNA輸送機構が働き、境界配列に挟まれた目的遺伝子が植物細胞へ輸送され、ゲノムに組み込まれます。これにより、腫瘍形成を起こすことなく、植物に新しい性質を持たせることが可能になります。このアグロバクテリウム法は、イネ、コムギ、オオムギといった主要作物を含む多くの植物種の形質転換に広く利用されています。さらに、このシステムは植物細胞だけでなく、一部の真菌やヒト培養細胞へのDNA導入にも応用される可能性が研究されています。Tiプラスミドの研究は、基礎科学的な発見を超えて、農業やバイオテクノロジーの分野に多大な貢献をもたらしています。

もう一度検索