細菌の遺伝学は、細菌の細胞内の遺伝情報の拠点の研究です。これには、遺伝情報の構成、それがどのように規制されているか、どのように表現されているか、どのように変化しているかが含まれます。
細菌の遺伝学に関する最初の実験は19世紀に行われました。歴史的な文脈では、細菌に遺伝情報を交換するメカニズムがあるかどうかはまだ不明で、染色体を持っているかどうかさえもわかりませんでした。
バクテリアDNA（情報源：Average_prokaryote_cell-_en.svg：Mariana Ruiz Villarreal、LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg：* Difference_DNA_RNA-DE.svg：* Difference_DNA_RNA-DE.svg：Sponk（talk）translation：Sponk（talk）派生作品：Radio89 via Wikimedia Commons）
唯一の本当の確実性は、細菌が少なくとも異なる栄養化合物の同化のために、異なる表現型を持つ安定した系統を確立できること、そして明らかに遺伝子変異のために、時々新しい形態が出現することでした。
当時の細菌については非常に不確実であったため、「細菌の遺伝学」に関する特定の質問に実験的に答えること、特に細菌が遺伝の基本原理を満たしているかどうかを理解することが不可欠でした。
最後に、1946年に、ジョシュアレーダーバーグとエドワードテイタムは、それぞれ異なる栄養要件を持つ大腸菌A株とB株の2つの株を使用して、これらの基本的な質問を解決しました。
タイプAとBの細胞は、どちらも培地からの栄養素の同化を妨げる変異があったため、最小培地では増殖できませんでした。
しかし、AとBを数時間混合してから、最小培地プレートに播種すると、最小培地プレートにいくつかのコロニーが出現しました。
これらのコロニーは、遺伝物質を交換した個々の細胞に由来し、交換後、表現型で遺伝情報を表現し、最小限の培地から栄養素を吸収することができました。
遺伝情報の整理
細菌の生存に必要なすべての遺伝情報は、「細菌染色体」、つまり二本鎖デオキシリボ核酸（DNA）の単一分子内にあります。
このDNA分子は、共有結合で閉じられた環状構造に配置され、いくつかのタンパク質とともに細菌の染色体を形成します。
細菌は、細菌の染色体に加えて、より小さなサイズの染色体外DNAフラグメントを持つことができますが、閉じた環状の方法で構造化することもできます。これらのDNA分子は、まとめて「プラスミド」または「プラスミドDNA」と呼ばれます。
プラスミドDNA分子は、細菌間で非常に特定の遺伝情報を交換するために細菌によって使用されます。
一般に、細菌細胞の1つが抗生物質に対する耐性を発現すると、プラスミドを介してその耐性を他の細菌細胞に伝達することができます。
細菌のプラスミドDNA分子のサイズは3〜10キロベースで変化する可能性があり、細菌の多くの種では、単一のタイプのプラスミドの何百ものコピーが見られます。
細菌のDNAの構成と構造は、すべての生物やウイルスに見られるものと同じです。その構造は、糖骨格、窒素含有塩基、およびリン酸基で構成されています。
大腸菌の細菌染色体の完全なマップは1963年に取得されました。約100遺伝子の正確な位置を詳述しましたが、現在、大腸菌染色体には1000を超える遺伝子が含まれ、サイズは4.2であることがわかっています。百万塩基対。
遺伝子発現のメカニズム
細菌における遺伝子発現のメカニズムは、他の生物で発生する遺伝子発現のプロセスといくつかの点で類似しており、転写と翻訳のプロセスにも依存します。
遺伝子の情報はRNA分子に転写され、その後タンパク質を構成するアミノ酸の配列に転写されます。このプロセスは、遺伝子型に含まれる情報と表現型の構造を表現するものです。
転写
転写において、RNAポリメラーゼ酵素は、テンプレートとして使用するDNAセグメントに相補的な生成物を作成しますが、この生成物はリボ核酸（RNA）です。
この分子は、DNAセグメントによってコードされるタンパク質の合成に関する情報を伝達します。これは単一のバンドであり、メッセンジャーRNAと呼ばれます。細菌のRNAポリメラーゼは、細菌と真核生物では異なります。
RNAポリメラーゼは、DNA（プロモーター）上の特定の部位を識別し、そこで結合して転写を開始します。単一のメッセンジャーRNA分子には、複数の遺伝子の情報が含まれている場合があります。
真核生物とは異なり、細菌は染色体を細胞質の他の要素から分離する核を持たないため、細菌の遺伝子にはそのシーケンスに「イントロン」がありません。
翻訳
すべての要素が細菌細胞の細胞質で「緩い」ので、新しく合成されたメッセンジャーRNA分子はリボソームと接触し、タンパク質合成をすぐに開始できます。
これにより、細菌は環境の極端な変化に対応し、適応するという利点を得ることができます。
リボソームRNA、トランスファーRNA、およびさまざまなリボソームタンパク質が翻訳に関与しています。原核細胞のリボソームは、真核細胞のリボソームと比較して構造および組成が異なる。
これらの要素は、ヌクレオチドトリプレット（コドン）の形で「読み取り」、メッセンジャーRNA分子の遺伝暗号で具体化された指示と同時に、各アミノ酸を組み立ててポリペプチドを形成します。
遺伝暗号の「普遍性」により、科学者はバクテリアの翻訳を、技術的な興味を持つペプチドやタンパク質の合成のための重要なツールとして使用することができます。
遺伝子発現の調節
細菌の遺伝子発現を制御するメカニズムは非常に正確です。遺伝子産物の合成の量とタイミングを正確に制御できるため、必要な場合にのみ発生します。
複数の遺伝子をグループ化する細菌ゲノムの領域は、「オペロン」と呼ばれます。この領域は、細菌が存在する条件に応じて、その転写を活性化または非活性化します。
同じオペロンの一部であるすべての遺伝子は、多くの遺伝子を含むメッセンジャーRNA（「ポリシストロニック」RNAと呼ばれる）に協調的に転写されます。これらのRNAは、リボソーム上で次々と順次翻訳されます。
オペロンは、正または負に調節することができます。遺伝子は、リプレッサーと呼ばれる阻害性タンパク質が構造内の特定の配列に結合したときにのみ、発現を停止します。
遺伝子の特定の配列は「プロモーター」と呼ばれ、リプレッサータンパク質がプロモーターに結合すると、RNAポリメラーゼは問題の遺伝子配列の転写を開始できません。
一方、オペロンが上方制御されている場合、その遺伝子領域の転写は、特定のDNA配列に結合する活性化タンパク質が存在するまで開始されません。
科学者は、オペロンのこの「誘導性」を使用して、細菌の特定の関心領域の遺伝子発現を増加または減少させます。いくつかの基質を導入することにより、代謝に必要な酵素の発現を増加させることができます。
遺伝子導入
真核生物の細胞とは異なり、細菌は有性生殖を通じて遺伝子を伝達しませんが、代わりに、形質転換、形質導入、接合という3つの異なるプロセスで遺伝子を伝達できます。
細菌の水平遺伝子導入（出典：ウィキメディア・コモンズ経由2013MMG320B）
変換
形質転換では、集団内の一部の細菌細胞が「有能」になります。いったん「有能」になると、細胞外環境で見つかった他の細菌から外来DNAを受け取ることができます。
DNAが細胞内部に組み込まれると、細菌は染色体に含まれる遺伝子を、その内部に組み込まれたばかりの外来DNAと組み合わせるプロセスを実行します。このプロセスは、遺伝子組換えとして知られています。
変換
形質導入では、細菌は細菌に感染するウイルス（バクテリオファージ）を介して、他の細菌からのDNAをDNA分子に組み込みます。これは、特殊な方法または一般的な方法で指定できます。
特殊な形質導入では、以前に別の細菌に感染していたファージが感染サイクル中にその遺伝子を獲得すると発生します。
その後、新しい細菌に感染し、その遺伝子を新しい感染した細菌の染色体に組み込むことにより、以前に感染した細菌の遺伝子も組み込みます。
一般化された形質導入の間、空のキャプシドを持つ欠陥のあるファージ粒子は、ウイルス複製中に細菌染色体の一部を組み込み、その後、別の細菌に感染すると、以前の細菌から取られた遺伝子を導入することができます。
活用
接合では、細菌は、物理的接触を通じて一方向に遺伝物質を交換します。細菌の1つはドナーとして機能し、もう1つはレシピエントとして機能します。このプロセスでは、ドナーバクテリアは通常、プラスミドDNA分子をレシピエントバクテリアに与えます。
細菌での接合は、すべての種で一般的ではありません。接合能力は、プラスミドDNA分子を介して伝達される遺伝子を通じて付与されます。
参考文献
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