Molecular Cell Biology · 33

バクテリオファージの溶菌サイクルと溶原サイクル（EM学生のみ）

Lytic and lysogenic replication cycles of bacteriophages (only for EM-students)

🧠 バクテリオファージbacteriophageバクテリオファージ（bacteriophage）bacteriophage（バクテリオファージ）は「今すぐ増殖して宿主を破壊するか（溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌））、宿主ゲノムに潜んで待つか（溶原）」という二者択一の生活環を持ち、λファージではこの選択がcIリプレッサーとcroタンパク質という2つの競合するタンパク質の綱引きで決まる。 DNA損傷（UV照射）がSOS応答を介してcIリプレッサーを分解させると、天秤は一気に溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌）側へ傾く——ファージの生存戦略そのものが、宿主のDNA損傷という「もう安全ではない」というシグナルに反応する仕組みになっている。

ウイルスとバクテリオファージの基本

ウイルスは細胞内寄生体である。自身では増殖できず、ウイルスタンパク質の合成とウイルスゲノムの複製のために宿主細胞の機構を（感染により）乗っ取らなければならない——絶対寄生体として生きている。感染性ウイルスinfectious virus感染性ウイルス（infectious virus）infectious virus（感染性ウイルス）粒子全体はビリオンvirionビリオン（virion）virion（ビリオン）と呼ばれ、少数の遺伝子産物をコードする核酸断片（DNA、RNA）を含み、カプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）と呼ばれるタンパク質の保護殻に包まれている。ウイルスは宿主細胞に特異的である。

バクテリオファージbacteriophageバクテリオファージ（bacteriophage）bacteriophage（バクテリオファージ）は細菌に感染するウイルスである。真核細胞eukaryote真核細胞（eukaryote）eukaryote（真核細胞）のウイルスは植物ウイルスまたは動物ウイルスでありうる（34-classification-of-animal-viruses-structure-and-replication-of-retroviruses参照）。

バクテリオファージbacteriophageバクテリオファージ（bacteriophage）bacteriophage（バクテリオファージ）が細菌内で複製する方法は2通り：①溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）、②溶原サイクルlysogenic cycle溶原サイクル（lysogenic cycle）lysogenic cycle（溶原サイクル）。

1. 溶菌サイクル

ウイルスDNAの侵入後、宿主細胞のDNA複製は阻止される。宿主細胞のDNAは分解され、ファージDNAが複製・転写される。子孫ファージprogeny phage子孫ファージ（progeny phage）progeny phage（子孫ファージ）が細胞内で組み立てられ、最終的に宿主細胞膜cell membrane宿主細胞膜（cell membrane）cell membrane（宿主細胞膜）の溶解により拡散する。

T4ファージの溶菌サイクル

T4ファージは大腸菌に感染するバクテリオファージbacteriophageバクテリオファージ（bacteriophage）bacteriophage（バクテリオファージ）の一種であり——溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌）様式のみを取ることができ、溶原様式は取れない。溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）は感染細胞とその膜の破壊をもたらす。

段階：

ファージの付着と大腸菌への注入： ウイルスが遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質）（一本鎖または二本鎖のRNAまたはDNA）を細胞内へ放出する＝細胞が感染する
ファージ特異的酵素specific enzyme特異的酵素（specific enzyme）specific enzyme（特異的酵素）による細菌染色体の分解： ウイルスは細胞の複製・翻訳機構を乗っ取り、これを利用してより多くのウイルスを作り、宿主のDNAを破壊する
細菌材料・ファージ酵素を用いたファージ染色体の複製： 宿主細胞の代謝機構を用いてウイルスmRNAが産生される
ファージ構造成分を産生するファージ遺伝子の発現
子孫ファージprogeny phage子孫ファージ（progeny phage）progeny phage（子孫ファージ）粒子の組み立て： ウイルスタンパク質と複製されたゲノムが会合し子孫ビリオンvirionビリオン（virion）virion（ビリオン）を形成する
細菌壁の溶解による子孫ファージprogeny phage子孫ファージ（progeny phage）progeny phage（子孫ファージ）の放出： これにより子孫ビリオンvirionビリオン（virion）virion（ビリオン）が周囲環境へ放出され、他の細胞を見つけて同様に感染できる

ファージ遺伝子発現プログラムはσ因子（＝特異性因子、原核生物のTFに相当）を変化させることで制御される（早期遺伝子→中期遺伝子→後期遺伝子）。

ゲノムパッケージング

ターミナーゼterminaseターミナーゼ（terminase）terminase（ターミナーゼ）がウイルスゲノムに結合する
ターミナーゼterminaseターミナーゼ（terminase）terminase（ターミナーゼ）-DNAがプロカプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）のポータルに結合する
DNA転位（ATPを使用）
コンカテマーconcatemerコンカテマー（concatemer）concatemer（コンカテマー）の切断とパッケージcage (spinal fusion implant)ケージ（cage (spinal fusion implant)）cage (spinal fusion implant)（ケージ）ングの完了

細菌は自己DNAと外来DNAをどう区別するか

細菌は「制限メチラーゼ-エンドヌクレアーゼendonucleaseエンドヌクレアーゼ（endonuclease）endonuclease（エンドヌクレアーゼ）対」を用いて侵入者を破壊する——メチラーゼが自己DNAをメチル化し、メチル化されたDNAは制限エンドヌクレアーゼendonucleaseエンドヌクレアーゼ（endonuclease）endonuclease（エンドヌクレアーゼ）によって切断されない。

ウイルスDNAはどう生き残るか

ファージ感染初期の出来事には以下が含まれる：

ウイルスエンドヌクレアーゼendonucleaseエンドヌクレアーゼ（endonuclease）endonuclease（エンドヌクレアーゼ）による宿主DNAの分解
全てのシトシンの5-ヒドロキシメチルシトシンhydroxymethylcytosineヒドロキシメチルシトシン（hydroxymethylcytosine）hydroxymethylcytosine（ヒドロキシメチルシトシン）への変換

→ ファージDNA複製は100%ヒドロキシメチル-dCTPを用い、ファージDNAのHMC残基の100%が複製後にグリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）される（これにより宿主の制限エンドヌクレアーゼendonucleaseエンドヌクレアーゼ（endonuclease）endonuclease（エンドヌクレアーゼ）のほとんどに耐性を持つ）。

2. 溶原サイクル

ファージDNAは複製されず、代わりに宿主細胞のDNAへ組み込まれる。ファージゲノムは（1遺伝子を除き）発現されない（プロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）、prophage、温和ファージ＝溶原生活環を示すファージ）。プロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）を含む細菌（溶原菌、lysogen）は分裂を続け、娘細胞も溶原菌のままである。プロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）は自然発生spontaneous自然発生（spontaneous）spontaneous（自然発生）的または刺激により再活性化されることがあり、溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）へ切り替わりうる→ファージ誘導phage inductionファージ誘導（phage induction）phage induction（ファージ誘導）。

λファージの溶原サイクル

λファージも大腸菌に感染するバクテリオファージbacteriophageバクテリオファージ（bacteriophage）bacteriophage（バクテリオファージ）の一種であり——溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌）・溶原両方の生活様式を取ることができる。溶原状態はファージ核酸の細菌ゲノムへの組み込みを特徴とする。細菌は正常に生存・増殖を続ける。プロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）（ファージの遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質））は各細胞分裂cell division細胞分裂（cell division）cell division（細胞分裂）で娘細胞へ伝達されうるが、後の出来事でそれを放出し、溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）を介した新しいファージの増殖を引き起こしうる。

段階：

付着： ファージが「ファージ受容体」を介して大腸菌に結合し、ビリオンvirionビリオン（virion）virion（ビリオン）を活性化する
DNA射出と環状化： λファージのDNAのみが細胞内へ入る。ファージDNAは線状であり、最終的に環を形成し溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌）・溶原サイクルlysogenic cycle溶原サイクル（lysogenic cycle）lysogenic cycle（溶原サイクル）のいずれかを選択する
組み込み： 環状ファージDNAが宿主DNAの特定部位へ組み込まれプロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）を形成する
潜伏——宿主細胞との複製： ほぼ全てのファージ遺伝子が抑制されたままである。プロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）を含む細菌は溶原菌と呼ばれ、プロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）とともに複製する
ファージ誘導phage inductionファージ誘導（phage induction）phage induction（ファージ誘導）： 活性化されたプロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）が宿主DNAから切り出され溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）を開始する

λリプレッサー

λリプレッサー（cIリプレッサーとも呼ばれる）はλファージの転写阻害因子である。cIリプレッサーはファージの溶原生活様式の維持を担う。これは2つのリプレッサー二量体（cI＋croリプレッサー）がヘリックス-ターン-ヘリックスモチーフを形成しDNAに二量体として結合することで達成される。croタンパク質はcIタンパク質の転写を停止させる抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）であり、これにより細胞は溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌）生活様式を取ることになる。

「cI」（λリプレッサー）は自身の合成を制御し、他の全てのファージ遺伝子を抑制する
「cro」はオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）とcI遺伝子に結合し、cIの転写を妨げる

flowchart TD
  A["感染成立"] --> B["cIとcroが遺伝子スイッチの制御を競合"]
  B -->|"cIが勝利：cro転写を阻止、リプレッサー転写を維持"| C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lysogenic cycle'>溶原サイクル</span>"]
  B -->|"croが勝利：cIの転写を妨げる"| D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lytic cycle'>溶菌サイクル</span>"]
  E["DNA損傷（例：UV照射）"] --> F["λリプレッサーの<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proteolysis'>タンパク質分解</span>"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phage induction'>ファージ誘導</span>：切り出し→複製→組み立て"]
  G --> D

cIとcroは互いに競合し遺伝子スイッチを制御する——これが感染後に溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）・溶原サイクルlysogenic cycle溶原サイクル（lysogenic cycle）lysogenic cycle（溶原サイクル）のいずれが続くかを決定する。

この競合をcIリプレッサーが制する場合：cro遺伝子の転写が阻止されリプレッサー転写が維持される＝溶原サイクルlysogenic cycle溶原サイクル（lysogenic cycle）lysogenic cycle（溶原サイクル）
競合をcroリプレッサーが制する場合：cIの転写を妨げる＝溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）

DNA損傷（例：UV放射）はλリプレッサーのタンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）を引き起こし、ファージが誘導される→ファージの切り出し・複製・組み立て→溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）。

溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）はSOS応答の結果としても誘導されうる。SOS応答とはDNA損傷への応答として誘導される一連の調節遺伝子regulator gene調節遺伝子（regulator gene）regulator gene（調節遺伝子）を指す。SOS応答は損傷したゲノムを修復することで細胞生存を促進する。SOS修復の活性化はLexA（転写抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子））のタンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）に基づく——通常LexAはDNA修復酵素をコードするSOS応答遺伝子を抑制している。

まとめ

バクテリオファージbacteriophageバクテリオファージ（bacteriophage）bacteriophage（バクテリオファージ）は溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）（宿主DNA分解→ファージ複製→組み立て→溶解による放出）と溶原サイクルlysogenic cycle溶原サイクル（lysogenic cycle）lysogenic cycle（溶原サイクル）（宿主ゲノムへの組み込み→プロファージprophageプロファージ（prophage）prophage（プロファージ）として潜伏→誘導による溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌）への切り替え）の2つの生活環を持つ。
T4ファージは溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）のみを取り、宿主DNAをヒドロキシメチルシトシンhydroxymethylcytosineヒドロキシメチルシトシン（hydroxymethylcytosine）hydroxymethylcytosine（ヒドロキシメチルシトシン）化により保護しながらファージ特異的酵素specific enzyme特異的酵素（specific enzyme）specific enzyme（特異的酵素）で宿主DNAを分解する。
λファージは溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌）・溶原両方の様式を取り、cIリプレッサー（溶原維持）とcroタンパク質（溶菌bacteriolysis (lysis)溶菌（bacteriolysis (lysis)）bacteriolysis (lysis)（溶菌）誘導）の競合によって運命が決定される。
DNA損傷（UV照射）とSOS応答（LexAの分解）はλリプレッサーの分解を介してファージ誘導phage inductionファージ誘導（phage induction）phage induction（ファージ誘導）を引き起こし、溶原状態から溶菌サイクルlytic cycle溶菌サイクル（lytic cycle）lytic cycle（溶菌サイクル）への切り替えをもたらす。