プラスミド 細胞内の染色体 DNA とは独立して複製する、小さな円形の DNA 片です。それらは細菌で最も一般的ですが、古細菌や一部の真核生物でも発生します。プラスミドは基本的な生存に必須ではありませんが、多くの場合、抗生物質耐性、病原性因子、異常な物質を代謝する能力など、有用な形質を与える遺伝子を持っています。プラスミドは、遺伝子工学、バイオテクノロジー、分子生物学の研究において重要な役割を果たします。
重要なポイント:プラスミド
- プラスミドは染色体外 DNA 分子です これは多くの細菌、一部の古細菌、特定の真核生物で発生します。
- それらは独立して複製します 細胞の染色体 DNA の一部。
- プラスミドは遺伝子を運ぶことが多い 抗生物質耐性や毒素生成などの利点をもたらす
- 科学者はプラスミドを使用する 遺伝子工学において遺伝子を操作および導入するためのベクターとして使用する
- プラスミドはサイズ、構造、機能が異なります 、これらの要素に基づいた複数の分類スキームを使用します。
プラスミドとは何ですか?
プラスミド 細胞内の主要な染色体 DNA とは独立して存在する小さな環状 (場合によっては直線状) DNA 分子です。ほとんどのプラスミドは二本鎖です。 そして必須ではない つまり、細胞はそれらがなくても生存できるということです。ただし、プラスミドには、抗生物質への曝露などの特定の環境条件下で宿主に利益をもたらす遺伝子が含まれることがよくあります。
プラスミドは通常、 独自の複製起点（ori）を使用して自律的に複製します。 ただし、レプリケーションの開始と制御をホスト要因に依存するものもあります。
プラスミドの歴史と発見
プラスミドの概念は 20 世紀半ばにまで遡ります。
- 1952 年 :プラスミドという用語 アメリカの分子生物学者ジョシュア・ レーダーバーグによる造語です。 、彼はそれを「染色体外の遺伝的決定因子」と説明しました。
- 1950 年代～1960 年代 :科学者たちは、抗生物質に対する耐性が細菌細胞間で伝達される可能性があることを発見しました。これは、移動性の遺伝要素の存在を示しています。
- 1970 年代 :組換え DNA 技術の開発により、 プラスミドがクローニングベクターとして脚光を浴びるようになりました。 .
- 1980 年代～現在 :プラスミドは、バイオテクノロジー、分子遺伝学、合成生物学、生物医薬品生産の中心です。
プラスミドの機能
プラスミドは、それらが持つ遺伝子に応じてさまざまな役割を果たします。
- 抗生物質耐性 :多くのプラスミドは、抗生物質を不活化したり細胞から排除したりするタンパク質をコードしています。
- 毒性 :病原性細菌は、毒素や付着因子をコードするプラスミドを保有していることがよくあります。
- 代謝 :一部のプラスミドは、細菌に異常な化合物や有毒な化合物を代謝させます。
- 活用 :特定のプラスミドにより、細菌は直接接触を介して遺伝物質を伝達できます。
- バイオテクノロジー :改変プラスミドは、標的細胞に外来遺伝子を導入して発現させるために使用されます。
プラスミドが見つかる場所
プラスミドは主に原核生物に関連しています。 、 しかし、 一部の真核生物にも存在します。 特に細胞小器官や寄生原生生物において顕著です。それらは次の場所で発見されました:
- バクテリア (共通)
- 古細菌 (あまり一般的ではありませんが、広く普及しています)
- 酵母 (例:出芽酵母 )
- 原生動物 (例:トリパノソーマ )
- 植物のミトコンドリアと葉緑体 (場合によっては)
プラスミドを持つ生物
構造と構成
プラスミドは一般に環状の二本鎖 DNA 分子です。 ですが直鎖状プラスミドです。 も存在します。一般的なサイズは1,000 ～ 200,000 塩基対 (1 ～ 200 kb) です。 .
主なコンポーネントは次のとおりです。
- レプリケーションの起点 (ori) :レプリケーションが開始されるサイト。
- 選択可能なマーカー :プラスミドを含む細胞の識別を可能にする遺伝子（抗生物質耐性など）
- マルチ クローン サイト (MCS) :外来 DNA を挿入するための制限酵素部位を含む領域（改変プラスミド内）
- 規制要素 :遺伝子発現を制御するプロモーターとオペレーター
- 導入遺伝子 (tra 遺伝子) :接合プラスミドでは、細胞間転移を促進します。
プラスミドの分類と種類
プラスミドは、いくつかの基準に基づいて分類されます。
機能
- 妊孕性プラスミド (F プラスミド) :結合のために遺伝子をエンコードする
- 耐性プラスミド (R プラスミド) :抗生物質または重金属に対する耐性を提供する
- 毒性プラスミド :病気を引き起こす能力を与える
- 分解性プラスミド :複雑な物質の分解を可能にします。
- 謎のプラスミド :既知の機能遺伝子は持っていません。
転送能力
- 接合プラスミド :結合を介して他の細胞に自己転移することができます。
- 非接合プラスミド :自己転移はできませんが、接合プラスミドを使用してヒッチハイクできる可能性があります。
コピー番号
- 高コピープラスミド :セルごとに多数のコピーが存在します (例:>50)。
- 低コピープラスミド :セルごとに数個のコピーのみが存在します。
ホスト範囲
- 宿主範囲が狭いプラスミド :少数の種でのみ機能します。
- 広範な宿主範囲のプラスミド :さまざまな種で複製できる。
遺伝子の水平転移とプラスミド
プラスミドは遺伝子水平転移（HGT）の主要な因子です。 、これは垂直遺伝以外の生物間の遺伝物質の移動です。プラスミドは、HGT の 3 つの主要な形式に関与します。
- 活用 :線毛を介した直接接触によるプラスミドの転移
- 変換 :環境からの遊離プラスミド DNA の取り込み
- 変換 :バクテリオファージによって媒介される転移
プラスミド駆動型 HGT は次のことに貢献します。
- 抗生物質耐性遺伝子の蔓延
- 病原体の毒性形質の獲得
- 新しい環境への迅速な適応
プラスミドの不適合性とメンテナンス
プラスミドは不適合性 (Inc) グループに属します。 レプリケーション制御システムに基づいています。同じ Inc グループに属する 2 つのプラスミドは 1 つの細胞内に共存できないため、世代を重ねるごとにプラスミドが失われます。
プラスミドの存在を維持するのに役立つメカニズムには次のものがあります。
- パーティショニング システム :タンパク質（ParA/ParB など）は、細胞分裂中のプラスミドの適切な分離を保証します。
- 人種差別後の殺害 :毒素抗毒素システムは、プラスミドを失った細胞を殺します。
- 依存症システム :プラスミドは安定した毒素と安定性の低い解毒剤の両方をコードします。プラスミドを含まない細胞は毒素の作用により死滅します。
天然プラスミドの実世界の例
プラスミドは自然界で重要な役割を果たします。
プラスミドと他の遺伝要素
プラスミドはその複製と自律性において独特ですが、他の要素と混同される可能性があります。
- プラスミドとトランスポゾン :トランスポゾンは、独立した DNA サークルではなく、ゲノム内で移動する可動 DNA 配列です。
- プラスミドとエピソーム :エピソームは、宿主ゲノムに統合できるプラスミドです。
- プラスミドとウイルス :ウイルスは宿主機構を使用して複製し、通常はタンパク質のコートを持っています。プラスミドはそうではありません。
科学者はプラスミドをどのように研究するか
プラスミドの研究では、次のような分子生物学ツールが使用されます。
- ゲル電気泳動 :プラスミドのサイズと純度を決定するため。
- 制限酵素消化 :クローン化された DNA のマッピングと検証用。
- 変換 :細胞へのプラスミドの導入（例:ヒートショックやエレクトロポレーションによる）
- PCR とシーケンス :プラスミド上の遺伝子を識別するため。
- レポーターアッセイ :蛍光または発光マーカーを使用した遺伝子発現の研究用
プラスミドの使用
プラスミドは、遺伝学、バイオテクノロジー、医学において不可欠なツールです。
- 遺伝子クローニング :目的の遺伝子を挿入して増幅する
- タンパク質の発現 :インスリン、成長ホルモン、抗体、酵素の生成
- 遺伝子治療 :矯正遺伝子を患者に提供する
- DNA ワクチン :免疫反応を刺激する抗原をコード化する
- 合成生物学 :人工遺伝子回路を設計する
- バイオセンサーとバイオレメディエーション :汚染物質または有害物質の分解を検出する
プラスミドは、科学者が抗生物質耐性を追跡し、微生物の進化を監視するのにも役立ちます。
改変プラスミドとその用途の表
プラスミドに関するよくある質問
プラスミドは人間にも存在しますか?
いいえ、プラスミドは人間の細胞内に自然には存在しません。ただし、科学者は実験室や臨床現場でヒトの細胞にプラスミドを導入することができます。
プラスミドはどのようにして抗生物質耐性を広めるのでしょうか?
プラスミドは耐性遺伝子を持っていることが多く、結合によって細菌間を移動することができ、耐性が急速に広がります。
細胞からプラスミドを除去できますか?
はい、硬化と呼ばれるプロセスを通じて、環境ストレスや化学物質によってプラスミドの複製が妨害されます。
プラスミドと染色体の違いは何ですか?
プラスミドは小さく、非必須で、環状です。真核生物の染色体はより大きく、必須であり、多くの場合直線的です。
プラスミドはワクチンでどのように使用されますか?
特定の抗原を発現するように設計されたプラスミドは、免疫応答を引き起こす DNA ワクチンとして注射できます。
重要な用語の用語集
- 依存症システム :安定した毒素と不安定な解毒剤を使用してプラスミドを含まない細胞を殺す、プラスミドでコードされたシステム
- 活用 :直接接触による、ある細菌から別の細菌への DNA の伝達
- 番号をコピー :細胞あたりのプラスミドのコピー数
- エピソード :宿主ゲノムに組み込むことができるプラスミド。
- 水平遺伝子伝達 (HGT) :生殖以外の生物間の遺伝子の移動
- 非互換性グループ (Inc グループ) :プラスミド複製制御機構に基づく分類
- レプリケーションの起点 (ori) :プラスミドの複製が開始される DNA 配列。
- プラスミド: 染色体 DNA とは独立して複製する染色体外 DNA。
- 選択可能なマーカー :プラスミドを含む細胞の識別を可能にする遺伝子
- 毒素抗毒素システム :プラスミドを含まない細胞を排除する維持メカニズム
- 変換 :細胞による外来 DNA の取り込み
- トランスポゾン :ゲノム内で移動可能な DNA 配列
参考文献と詳細情報
- レーダーバーグ、J. (1952)。 「細胞遺伝学と遺伝的共生」。 生理学的レビュー 。 32 (4):403–430。 doi:10.1152/physrev.1952.32.4.403
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