細菌遺伝学：修飾・変異・復帰変異

🧠 細菌の「変化」には3段階ある——修飾（表現型・可逆・集団全体）、変異（遺伝子型・不可逆・1細胞・遺伝する）、復帰（変異が野生型に戻る）。 この3つを混同しないことが細菌遺伝学の土台になる。誰が・何を・どのくらいの範囲で変えるのかを毎回自問すると整理しやすい。

細菌のDNAの3つの形態

細菌のDNADNA（deoxyribonucleic acid）は細胞内で以下の3つの形態をとりうる。

1. 染色体：遺伝物質 hereditary material 遺伝物質（hereditary material） hereditary material（遺伝物質） の主な担い手で、全ての細菌に存在する。約4000キロ塩基対 base pairing 塩基対（base pairing） base pairing（塩基対） からなる単一の環状構造。

2. プラスミド：特定の菌にのみ存在し、抗菌薬耐性antimicrobial resistance 抗菌薬耐性（antimicrobial resistance）antimicrobial resistance（抗菌薬耐性） 遺伝子を含むことがある。約100 kbpの環状二本鎖DNA circular double-stranded DNA 環状二本鎖DNA（circular double-stranded DNA） circular double-stranded DNA（環状二本鎖DNA） で、菌から菌へ耐性が伝達される際の運び手となることが多い（構造は1/3、伝達機構は1/9参照）。

3. トランスポゾンtransposonトランスポゾン（transposon）transposon（トランスポゾン）：より小さなDNA断片。自己複製のための情報は持たないが、特殊な機能（抗菌薬耐性antimicrobial resistance 抗菌薬耐性（antimicrobial resistance）antimicrobial resistance（抗菌薬耐性） など）をコードする情報を持ち、ある遺伝子座から別の遺伝子座へ移動する（プラスミド→プラスミド、あるいはプラスミド→染色体）——いわゆる「動く遺伝子」。

修飾

細菌の表現型に生じる変化（観察可能observable 観察可能（observable）observable（観察可能） な変化）。

• 莢膜形成菌encapsulated bacteria 莢膜形成菌（encapsulated bacteria）encapsulated bacteria（莢膜形成菌） における莢膜形成の消失
• コロニー性状の変化
• 発酵活性の変化
• 抗菌薬感受性の消失
• 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） 感受性の消失

修飾による変化は集団全体に影響し、短期的な環境適応に応じた可逆的な変化である。

💡 ここでいう「修飾」は表現型の修飾であって、DNAの化学修飾 chemical modification 化学修飾（chemical modification） chemical modification（化学修飾） とは別物である。 細菌には自己DNAをメチル化して標識し、標識のない外来DNAだけを切断する制限修飾系 extrapyramidal system修飾系（extrapyramidal system） extrapyramidal system（修飾系）があり、これは細菌の自然免疫にあたる。一方、過去に侵入したファージやプラスミドの配列断片をスペーサー spacer スペーサー（spacer） spacer（スペーサー） として自分のゲノムに記録し、再侵入時にそれを目印に切断するCRISPR-Casは獲得免疫にあたる別の系である¹。英語ではどちらも modification という語が出てくるので、本項の表現型修飾と混同しない。

変異

細菌の遺伝子型に生じる変化。DNA/RNARNA（ribonucleic acid）ゲノムの未修復の損傷に由来する塩基配列の変化（複製時のエラーなど）を指す。表現型変化Phenotypic change 表現型変化（Phenotypic change）Phenotypic change（表現型変化） に結びつく場合も結びつかない場合もある。

• 変異を起こした細胞のみに影響する
• 不可逆的
• 遺伝する（子孫に伝わる）

💡 変異率は固定値ではなく、ストレスで上がる。 DNA損傷を感知すると細菌はSOS応答を起動し、忠実度の低いDNAポリメラーゼを動員して損傷を乗り越える。この過程で変異が持ち込まれるため、抗菌薬曝露そのものが変異率を押し上げる。大腸菌に致死量 lethal dose 致死量（lethal dose） lethal dose（致死量） 以下のノルフロキサシン norfloxacin ノルフロキサシン（norfloxacin） norfloxacin（ノルフロキサシン） （0〜50 ng/mL）を与えた実験では、塩基置換変異率の上昇分の約30〜50%がSOS応答に由来した²。中途半端な用量・不十分な期間の抗菌薬投与が耐性変異 resistance mutation 耐性変異（resistance mutation） resistance mutation（耐性変異） を「育てる」理由のひとつである。

修飾と変異の比較

復帰変異

変異した遺伝子が元の野生型 に戻ること。

⚠️ 弱毒生ワクチンattenuated live viral vaccines 弱毒生ワクチン（attenuated live viral vaccines）attenuated live viral vaccines（弱毒生ワクチン） に含まれる病原体が復帰変異 Reversion 復帰変異（Reversion） Reversion（復帰変異） を起こすと危険である。 弱毒化attenuation 弱毒化（attenuation）attenuation（弱毒化） のために導入された変異が野生型へ戻れば、病原性が再獲得されるリスクがあるため、生ワクチンの安全性評価では復帰変異 Reversion 復帰変異（Reversion） Reversion（復帰変異） のリスクが重要な検討事項となる。

💡 その実例が経口ポリオワクチン oral polio vaccine (OPV) 経口ポリオワクチン（oral polio vaccine (OPV)） oral polio vaccine (OPV)（経口ポリオワクチン） 由来のポリオウイルス poliovirus ポリオウイルス（poliovirus） poliovirus（ポリオウイルス） である。 経口ポリオワクチンoral polio vaccine (OPV) 経口ポリオワクチン（oral polio vaccine (OPV)）oral polio vaccine (OPV)（経口ポリオワクチン） （OPV）のSabin株が予防接種 Vaccination 予防接種（Vaccination） Vaccination（予防接種） 率の低い集団で長期間ヒトからヒトへ循環すると、弱毒化attenuation 弱毒化（attenuation）attenuation（弱毒化） 変異が戻って神経病原性 neuropathogenicity 神経病原性（neuropathogenicity） neuropathogenicity（神経病原性） と伝播性を再獲得し、麻痺例を起こす（循環型ワクチン由来ポリオウイルス poliovirus ポリオウイルス（poliovirus） poliovirus（ポリオウイルス） ＝cVDPV）。2021〜2022年の2年間だけで46か国から88件のcVDPVアウトブレイク outbreak アウトブレイク（outbreak） outbreak（アウトブレイク） が報告され、その76件（86%）が2型だった。この復帰リスクを下げる目的で遺伝的により安定化させた新型2型経口ポリオワクチン oral polio vaccine (OPV) 経口ポリオワクチン（oral polio vaccine (OPV)） oral polio vaccine (OPV)（経口ポリオワクチン） （nOPV2）が開発され、2021年から使用可能になっている³。

遺伝子伝達の2様式（概観）

細菌が新しい遺伝情報を獲得する経路は大きく2つに分けられる。

• 垂直伝達vertical gene transfer垂直伝達（vertical gene transfer）vertical gene transfer（垂直伝達）：（無）性生殖を介して親から子孫へ遺伝子が伝わる、伝統的Traditional 伝統的（Traditional）Traditional（伝統的） な伝達様式。

• 水平伝達horizontal gene transfer水平伝達（horizontal gene transfer）horizontal gene transfer（水平伝達）：伝統的 Traditional 伝統的（Traditional） Traditional（伝統的） な生殖以外の方法で生物間を遺伝子が移動する様式。形質転換・形質導入transduction形質導入（transduction）transduction（形質導入）・接合・トランスポゾンによる転移transposition by transposonsトランスポゾンによる転移（transposition by transposons）transposition by transposons（トランスポゾンによる転移）という4つの機構があり、詳細は1/9 遺伝物質hereditary material 遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質） の伝達機構にまとめる。

flowchart TD
    A["細菌<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>に変化が生じる"] --> B{"変化のレベルは？"}
    B -->|"表現型のみ・可逆"| C["修飾<br>集団全体に影響"]
    B -->|"遺伝子型（塩基配列）・不可逆"| D["変異<br>変異細胞のみ・遺伝する"]
    D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Reversion'>復帰変異</span><br>野生型へ戻る"]

まとめ

• 細菌のDNAは染色体（主要な遺伝物質 hereditary material遺伝物質（hereditary material） hereditary material（遺伝物質））・プラスミド（染色体外因子、耐性遺伝子の運び手）・トランスポゾンtransposon トランスポゾン（transposon）transposon（トランスポゾン） （動く遺伝子）の3形態をとる。
• 修飾は表現型レベルの可逆的変化で集団全体に及び、変異は遺伝子型レベルの不可逆的変化で変異細胞のみに生じ子孫に遺伝する。
• 復帰変異Reversion 復帰変異（Reversion）Reversion（復帰変異） は変異が野生型に戻ることで、弱毒生ワクチンattenuated live viral vaccines 弱毒生ワクチン（attenuated live viral vaccines）attenuated live viral vaccines（弱毒生ワクチン） では病原性再獲得のリスクとして重要。
• 遺伝子伝達には親子間の垂直伝達 vertical gene transfer 垂直伝達（vertical gene transfer） vertical gene transfer（垂直伝達） と、形質転換・形質導入transduction形質導入（transduction）transduction（形質導入）・接合・トランスポゾン転移transposition (transposon-mediated) トランスポゾン転移（transposition (transposon-mediated)）transposition (transposon-mediated)（トランスポゾン転移） による水平伝達 horizontal gene transfer 水平伝達（horizontal gene transfer） horizontal gene transfer（水平伝達） があり、水平伝達horizontal gene transfer 水平伝達（horizontal gene transfer）horizontal gene transfer（水平伝達） の詳細は1/9で扱う。