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2007年01月13日
大腸菌環状ゲノムの線状化に成功

生物の遺伝情報を担っているのは染色体(ゲノム:以下ゲノムと呼称)ですが、それには線状のものと環状のものがあります。我々人間を含め、動物・植物のゲノムは細胞の核の中に存在し、全て線状です。一方バクテリア等の原核生物のゲノムは、ほとんどが環状でできています。何故そうなったかについては分かっていません。その理由を探るために、基礎生物学研究所の堀内 嵩教授らの研究グループは、良く知られたバクテリアの一つ、大腸菌の環状ゲノムの線状化に挑戦し、世界で初めて成功しました。大腸菌に感染するウイルスであるN15ファージの能力を応用し、環状のゲノムに切れ込みを入れ、環を開いて線状化する方法を用いました。ゲノム中のDNAは2本の鎖状分子が縒り合わさった二重らせん構造をもっていますが、今回の手法で線状化すると、その末端は2本の鎖が切れ目無く連続したヘアピンのような状態になっています。驚いたことに、線状ゲノムの菌は、環状ゲノムの菌と同様に、正常に生育しました。生育ばかりでなく、他の性質についても、ほとんど変わりませんでした。また、この線状ゲノムへの変換では、ゲノムの末端をどこに持ってくるかが重要であることが明らかになりました。正常に生育するのは、ゲノムの中央に複製開始点があり、両腕の長さが同じ場合です。両腕の長さが違えば違うほど、生育が悪くなり、極端に違うと生存出来ませんでした。この成果は世界で初めての環状ゲノムの線状化成功であると共に、線状化に用いた手法はゲノム工学の技術として注目されます。研究の詳細は、2007年1月13日、EMBO reports誌オンライン版で先行発表されます。

[はじめに]

染色体(ゲノム)には、線状と環状のものがある。これらは生物界を2分する二つのグループ、真核生物(カビ~動植物)と原核生物(バクテリア)に対応する。真核生物のゲノムは線状を、原核生物のそれは環状を採る。例外的に線状ゲノムを有する原核生物がいるものの、この様なきれいな対応の原因や理由は未だ不明であり、興味深い謎として残されている。
この謎を解くには、ある特定の生物で、線状と環状を採るゲノムを有するものを分離し、比較することが最も有効である。真核生物の線状ゲノムの環状化の例は酵母等で報告があり、環状ゲノムの分配異常が観察されている。一方、原核生物の環状ゲノムの線状化の報告はこれまでない。基礎生物学研究所の崔泰林研究員、堀内嵩教授らの研究グループは、解析の進んでいる大腸菌の、環状ゲノムの線状化を試み、線状ゲノムを有する大腸菌の分離に成功した。

 

 

070110-figure1.jpeg図1. 環状ゲノム上で隣接していた箇所(赤点と緑点)が、線状化することで離れた位置関係となった。

 


[研究の成果]

大腸菌ゲノムの線状化には、大腸菌に感染するN15と呼ばれる溶原化ファージを利用した。このファージの感染・溶原化により生産されるタンパク質Te1Nは、tosと呼ばれるDNA配列を認識してDNAの2重らせんを切断し(図2a)、その端がヘアピン状に折り返された後(b)、切断面を繋ぎ直す能力を持つ(c)。大腸菌ゲノム上の切断したい部位にこのtos配列を挿入し、N15ファージを大腸菌に感染・溶原化させることで、任意の部位で環状ゲノムを線状に”ひらく”ことが可能となった。研究グループはまず、複製開始点の真向かいの部分で切断し線状化したゲノム(つまり、複製開始点から両腕の長さが同じゲノム)を持つ大腸菌を作成した。世界で初めての環状ゲノムの線状化成功である。その結果、線状ゲノムを持つ大腸菌は生存できることが明らかになった。しかも環状ゲノム菌と同様、正常に増殖し、ゲノムの線状構造は安定して受け継がれた。その他、細胞や核の大きさ・形態、様々な培地条件での生育等に関しても、両者に差はほとんどなかった。

 

070110-figure2.jpeg図2. tos配列とN15ファージを用いた線状化のプロセス


 次に、環状ゲノムを色々な位置で切断して線状化し、その性質を調べた。上記のように複製開始点から両腕の長さが同じ線状ゲノムを持つ大腸菌は正常に生育したが、両腕の長さが違えば違うほど生育が悪くなり、極端に違うと全く育出来ないことが判明した。

 

070110-figure3.jpeg図3. 線状ゲノム末端の位置とその株の増殖との関係

 

堀内教授は 「線状ゲノムを持つ大腸菌の性質が、環状ゲノムの大腸菌のそれとほとんど変わりが無いことは全く予想外であり、驚くべき結果である。今までに得られた結果では、環状が線状より有利な点は見あたらず、自然界で大腸菌のゲノム形態として環状が選択されているのは偶然なのかもしれない。真核生物のゲノムは線状を、原核生物のそれは環状を採るのは何故か、という問いの答えを見つけるべく、今後、より詳しい解析を行っていきたい。 また、tos配列を用いたゲノム構造の改変技術を改良し、広い生物種に応用可能な技術の開発を目指したい。」と語っている。

 

[発表雑誌]

EMBO reports
(2007年2月号 先行オンライン版英国時間 1月12日5:00 pm, 日本時間1月13日 2:00 am 発行予定)

論文タイトル:
E. coli with a linear genome.
著者:
Tailin Cui, Naoki Moro-oka, Katsufumi Ohsumi, Ken-ichi Kodama, Taku Ohshima, Naotake Ogasawara, Hirotada Mori, Barry Wanner, Hironori Niki, and Takashi Horiuchi

 

[研究グループ]

基礎生物学研究所 ゲノム動態研究部門が中心となり、国立遺伝学研究所、奈良先端大学、Purdue University (USA)との共同研究として実施された。

[本件に関するお問い合わせ先]
基礎生物学研究所ゲノム動態研究部門 教授 堀内 嵩
Tel: 0564-55-7690  
E-mail: kishori@nibb.ac.jp

 

[報道担当]

基礎生物学研究所 連携・広報企画運営戦略室
Tel: 0564-55-7628
E-mail: press@nibb.ac.jp