細菌の識別に 16s rRNA が使用される理由

細菌は、地球上で最も遍在する生命体です。細菌のバイオマスは、植物や動物のバイオマスを超えています。その豊富さのために、ほとんどの細菌種はこれまで特定されていません。細菌の従来の同定は表現型の特徴に基づいており、遺伝子型の方法ほど正確ではありません。 16S rRNA 配列の比較は、属レベルで細菌を同定するための最も好ましい遺伝子型の方法として浮上しています。 ハウスキーピング遺伝子メーカーとして 16S rRNA を使用する理由はいくつかあります 、これについてはさらに詳しく説明します。

対象となる主な分野

1. 16S rRNAとは
– 定義、構造、役割
2.細菌の識別に 16S rRNA が使用される理由
– 導入、理由、方法
3.微生物学における 16S rRNA の応用とは
– アプリケーション

重要な用語:細菌、分類、遺伝子配列、同定、リボソーム、16S rRNA

16S rRNAとは

16S rRNA は、原核生物のリボソームの小サブユニットの構成要素です。原核生物のリボソームの 2 つのサブユニットは、50S 大サブユニットと 30S 小サブユニットです。それらは70Sリボソームを形成します。小サブユニットは、21 のタンパク質に結合した 16S rRNA で構成されています。 16S rRNA は 1540 ヌクレオチドで構成されています。 16S rRNA の二次構造を 図 1 に示します .

図 1:16S rRNA

16S rRNA の 3' 末端には、開始コドン AUG の上流に結合する抗シャイン ダルガルノ シーケンスが含まれています。 Shine-Dalgarno 配列は、細菌の mRNA のリボソーム結合部位です。 16S rRNA は細菌の機能に不可欠であるため、16S rRNA をコードする遺伝子は細菌種間で高度に保存されています。 16S rRNA の配列は、細菌の同定と分類に広く使用されています。

細菌の識別に 16S rRNA が使用される理由

細菌の従来の識別方法は、主に細菌の表現型の特徴に基づいています。しかし、16S rRNA 配列の比較は「ゴールド スタンダード」となり、従来の細菌同定法に取って代わりました。 16S rRNA 配列の分析は、表現型が異常で、記述が不十分な、またはほとんど分離されていない株の同定に適しています。また、非培養細菌や新規病原体の同定にも適しています。 16S rRNA 遺伝子は、細菌ゲノムの rRNA オペロンに存在します。 rRNA オペロンは図 2に示されています。

図 2:rRNA オペロン

16S rRNA は、いくつかの理由により、ハウスキーピング遺伝子マーカーとして使用するのに適しています。以下に説明します。

識別

現在、16S rRNA 遺伝子配列を使用して、8,168 種を超える細菌種が特定されています。識別プロセスの手順は次のとおりです。

16S rRNA 配列は約 1, 550 塩基対の長さで、可変領域と保存領域の両方で構成されています。遺伝子の保存領域に相補的なユニバーサルプライマーは、PCRによる遺伝子の可変領域の増幅に使用できます。通常、遺伝子の先頭から540塩基対の領域または遺伝子全体をPCRで増幅します。 PCR 断片の配列が決定され、その配列が 16S rRNA 遺伝子の既存のヌクレオチド配列と比較され、事前に分離された細菌種が特定されます。ヌクレオチド配列の最大のレポジトリである GenBank には、90,000 の異なる 16S rRNA 遺伝子の 2,000 万を超える配列があります。細菌種が新規である場合、配列はデータベース内のどの 16S rRNA 配列とも一致しません。

分類

16S rRNA 遺伝子配列はほとんどすべての細菌種に見られるため、異なる 16S rRNA 遺伝子配列の比較を使用して、細菌を種および亜種レベルまで区別することができます。類似の細菌種は、16S rRNA 遺伝子の配列が類似している可能性があります。 16S rRNA 遺伝子配列を比較して構築した細菌の系統樹を図 3 に示します。

図 3:16S rRNA 配列の比較に基づいて構築された系統樹

微生物学における 16S rRNA の応用とは

微生物学における 16S rRNA の用途を以下に示します。

結論

16S rRNA は、翻訳中に細菌の mRNA がリボソームに結合するための部位を提供するため、細菌の機能に不可欠です。 16SrRNA の機能は細胞にとって不可欠であるため、その遺伝子配列はほとんどすべての細菌細胞に存在します。さらに、その配列は高度に保存されています。ただし、16S rRNA 配列も可変領域で構成されているため、細菌種の識別が可能です。また、16S rRNAの遺伝子配列から菌種を分類することもできます。

参照:

1. ジャンダ、J. マイケル、シャロン L. アボット。 「診断検査室での細菌同定のための 16S rRNA 遺伝子配列決定:長所、危険、および落とし穴」。 Journal of Clinical Microbiology、American Society for Microbiology、2007 年 9 月、こちらから入手可能。
2. Clarridge、Jill E.「臨床微生物学および感染症に対する細菌の同定のための 16S rRNA 遺伝子配列分析の影響」。 Clinical Microbiology Reviews、American Society for Microbiology、2004 年 10 月、こちらから入手可能。

画像提供:

1. Squidonius による「16S」 – Commons Wikimedia 経由の自作 (パブリック ドメイン)
2. Commons Wikimedia 経由の「Amit Yadav Phytoplasma rRNA オペロン」(CC BY-SA 3.0)
3.バクテリアの中のモリクテス」 大島健郎、前島健作、難波茂藤著 – フロント. Microbiol.、2013 年 8 月 14 日 / doi:10.3389/fmicb.2013.00230 (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia