バクテリオファージ、またはファージは、特に細菌に感染するウイルスです。これらの驚くべき存在は、細菌細胞をハイジャックし、繁殖するための高度なメカニズムを進化させてきました。バクテリオファージの繁殖サイクルの複雑さを理解することは、医学、生物工学、環境科学などのさまざまな分野でその可能性を活用するために重要です。Creative Enzymesでは、バクテリオファージのライフサイクルの詳細なステップを紹介し、リシックサイクルとリソジェニックサイクルの両方、そしてこれらのプロセスを駆動する分子メカニズムを探ります。

リシックサイクル

リシックサイクルは、ファージが感受性のある細菌宿主に侵入し、その代謝機構を占拠して子孫ウイルス粒子を合成し、最終的に宿主細胞を溶解させて新たに形成されたファージを放出する病原性の経路です。このサイクルは迅速で、通常20分から60分以内に完了しますが、ファージと宿主の種によって異なります。

1. 付着: 感染プロセスは付着から始まり、ファージが細菌細胞の表面にある特定の受容体を認識して結合します。これらの受容体には、宿主の種やファージのタイプに応じて、リポポリサッカライド（LPS）、テイコ酸、鞭毛、またはピリなどが含まれる場合があります。この特異性が宿主範囲とトロピズムを支配します。付着は、ファージの尾部繊維や高親和性結合を促進する他の特殊な構造によって媒介されます。
2. 浸透: 吸着の後、ファージは浸透に進み、宿主の細胞質にその核酸（DNAまたはRNA）を注入します。これは通常、尾部鞘の収縮（T4のような収縮尾ファージの場合）を介して行われ、細菌細胞の膜を通して中空のコアチューブを押し込みます。タンパク質性カプシドは細胞外に残り、配達装置としてのみ機能します。
3. ファージ成分の合成: 宿主内に入ると、ファージのゲノムは宿主の転写および翻訳機構を再指示してファージ成分の合成を行います。初期遺伝子は通常、DNA複製と宿主の占拠に必要な酵素をコードし、後期遺伝子は通常、構造タンパク質とリシン酵素をコードします。細菌の染色体はしばしば分解され、ヌクレオチドを解放し、宿主の遺伝子発現を抑制します。
4. 組み立てと成熟: ファージの形態形成は、組み立てと成熟の段階で行われます。構造タンパク質はカプシド、尾部、その他の成分に自己組織化します。新たに複製されたゲノムは、ATP依存的なプロセスで事前形成されたカプシドにパッケージされます。尾部繊維と基板は、順次かつ高度に調整された方法で取り付けられます。その結果、成熟した感染性ウイルス粒子の集団が形成されます。
5. 放出: 最後のステップは宿主細胞の溶解で、ファージがコードしたホリンとエンドリシンによって媒介されます。ホリンは内膜に孔を形成し、エンドリシンがペプチドグリカン層にアクセスできるようにし、それを酵素的に分解します。損なわれた細胞壁は浸透性溶解を引き起こし、子孫ファージを解放して新たな感染のサイクルを開始します。

リソジェニックサイクル

病原性のリシック経路とは対照的に、リソジェニックサイクルは主にラムダ（λ）などの温和なファージに関連する潜伏複製戦略です。このサイクルでは、ファージのゲノムが宿主内に持続し、即座の細胞死を引き起こすことなく存在します。ファージDNAは宿主の染色体に統合され、細胞分裂中に宿主ゲノムと共に受動的に複製されます。

1. 統合: リソジェニーの定義的なステップは統合であり、ファージのゲノムは、通常、侵入時に線形の形をしており、特定の細菌染色体の部位にサイト特異的組換えを介して円形化し、再結合します。この統合されたファージDNAはプロファージと呼ばれ、宿主細菌は現在リソゲンと呼ばれます。この統合は厳密に調整され、ファージゲノムによってコードされた組換え酵素（例：インテグラーゼ）によって促進されます。リソジェニック状態は通常安定で非致死的であり、プロファージはリプレッサータンパク質（例：λ CIリプレッサー）の作用により転写的に沈黙しています。
2. 複製: 一度統合されると、プロファージは宿主ゲノムと共に受動的に複製されます。細菌が分裂するたびに、その子孫はプロファージのコピーを受け継ぎます。この状態では、ファージは宿主の遺伝的レパートリーの一部となり、超感染に対する抵抗や新しい代謝能力（リソジェニック変換）などの選択的利点を与えることさえあります。
3. 誘導: リソジェニック状態は可逆的です。UV照射、抗生物質の曝露、酸化ストレス、またはDNA損傷などのストレス条件下で、プロファージは細菌染色体から自らを切り離すように誘導されることがあります。このプロセスは誘導と呼ばれ、リシックプログラムを再活性化します。切り離されたファージゲノムは活発な複製を再開し、新しいウイルス粒子の生成と宿主細胞の最終的な溶解を引き起こします。誘導は通常、細菌のSOS応答によって制御され、RecAプロテアーゼ活性が活性化され、ファージリプレッサータンパク質を切断し、リシック遺伝子の抑制を解除します。

図1. 一般的な温和なファージコリファージ-λのライフサイクル。ファージ粒子は、尾の先端によって細胞表面に遭遇し、付着し、ファージDNAが入り、細胞の外側に空のタンパク質シェルが残ります。次に、線形DNA分子の端が結合して円を形成します。閉じる点はコヒーシブサイト（cos）と呼ばれます。一部の感染細胞では、DNAが転写、翻訳、複製されます。複製には2つの経路があります：θ型とローリングサークル。ローリングサークル複製は、線状二本鎖DNA（dsDNA）の多重ゲノム尾を生成し、そこからDNAが事前形成されたタンパク質シェルに引き込まれます。尾が追加され、細胞が溶解してファージの子孫が解放されます。他の感染細胞では、ファージの発展が抑制され、ファージDNAが細菌染色体に統合されます。結果として得られるリソジェニック細胞は無限に複製できますが、ファージDNAが染色体から切り離されることでリシックサイクルに戻るように誘導されることがあります。（Campbell, 2003）

リシック戦略とリソジェニック戦略：生物学的影響

リシック経路とリソジェニック経路の選択は、宿主の生理学、環境条件、ファージの遺伝回路によって影響を受けます。たとえば、高い宿主密度と栄養の可用性は、リシックサイクルを好むことが多く、迅速なファージの増殖を可能にします。逆に、低い宿主密度やストレス条件は、生存戦略としてリソジェニーを選択することがあります。

生態学的な観点から見ると、これらの二重の複製モードは、ファージが溶解を介して個体群制御因子として機能し、リソジェニーを介して水平遺伝子移動の手段として機能することを可能にします。この二重性は、微生物の進化と生態系のダイナミクスにおける彼らの役割を支えています。

特異的および一般的な転送

バクテリオファージのライフサイクルの顕著な結果は、特に転送を通じた水平遺伝子移動における彼らの役割です。

• 一般的な転送は、リシックサイクル中にファージのパッケージングエラーが発生し、ランダムな宿主DNAセグメントがファージ粒子に組み込まれるときに発生します。これらの転送粒子は、次の宿主に外来の細菌遺伝子を導入することができます。
• 特異的転送は温和なファージの特徴であり、プロファージの切除が不正確な場合に発生し、隣接する細菌遺伝子の共同転送を引き起こします。このプロセスは、ファージ統合部位の近くの遺伝子に限定されますが、深刻な進化的影響を持つ可能性があります。

図2. 一般的な転送と特異的転送の違いのイラスト。一般的な転送は、バクテリオファージを介して任意の細菌遺伝子を第二の細菌に転送するプロセスであり、特異的転送は、制限された細菌遺伝子を受容体細菌に移動させるプロセスです。一般的な転送はランダムに、より簡単に発生する可能性がありますが、特異的転送は染色体上の遺伝子の位置とプロファージの不正確な切除に依存します。

バクテリオファージの複製サイクルを理解することは、研究、治療、生物工学におけるその完全な可能性を活用するための鍵です。Creative Enzymesでは、精度と性能のために設計され、特性付けられたさまざまな高品質のファージ製品を提供しています。お問い合わせは、質問や問い合わせをお待ちしております。