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ゲノム変異シミュレーションによるバクテリア複製終結機構の解明

コンピュータシミュレーションが解き明かすバクテリアゲノム進化の軌跡

Kono N, Arakawa K. and Tomita M. (2012). Validation of bacterial replication termination models using simulation of genomic mutations. PLoS One. 7(4): e34526.

  ゲノムの複製とはセントラルドグマにおける生物の根源の一つを担う重要な機構で、バクテリアの様に小さな生物では生活環のほぼ全てで複製がおこなわれてい る。また、染色体には環状と線状の2種類が存在しており、ヒトや動物など真核生物は線状であるが、バクテリアなどの原核動物の多くは環状であることが知ら れている。環状染色体を持つバクテリアは一対のほぼ対称に位置した複製開始点と終結点を持っており、開始点に関する知見は多く蓄積されてきているが、終結 点に関してはその位置や具体的な機構などは解明されていない点が多い。そこで、政策・メディア研究科博士課程2年の河野氏らの研究グループ(2011年当 時)は、複製機構に伴いゲノム配列上に蓄積された変異を観察することで、バクテリアがどのような機構を用いて複製を終結させてきたのかを解明する事を目指 した。

  本研究では、1 本鎖 DNA 分子における G 含量と C 含量の偏りを表わす指標であるGC skewに注目している。リーディング鎖とラギング鎖では複製プロセスが異なり、それに起因して塩基の変異が蓄積されていく。リーディング鎖上でGが、ラ ギング鎖上でCが多くなることで、GとCの塩基組成に偏りが生まれ、その結果生成されるのがGC skewである。この定義からも分かる様に、GC skewの形状にはリーディング/ラギング鎖の定義が強く関わっており、ゲノム上のどこが複製終結点になるかに大きく依存するのである。


  複製終結機構としてこれまでに提唱されて来たモデルは主に3つある。1つ目がTer配列と呼ばれる配列にTusタンパクが結合することで、複製フォークの 進行を阻害するFork-trapモデルであり、このモデルではTer配列の位置や数に依存して複製が終結していく。2つ目が複製フォークの衝突により引 き起こされると考えられているFork-collisionモデルである。これは複製開始点から反対方向に進行している二つの複製フォークにおいて、塩基 組成や何らかの原因によってフォークの進行が阻害されることで両replichore上でのフォーク速度に揺らぎが生まれ、複製開始点と丁度反対に位置す る地点付近で複製が終結すると考えられているものである。最後がdif-stopモデルと呼ばれるもので、このモデルは上記の2つのモデルとは異なり、 dif配列というゲノム上一カ所に存在している配列上で複製が終結するものである。Fork-trapモデルやFork-collisionモデルは古く から提唱されていたものであるが、近年dif-stopモデルが新たに提唱され、どのモデルが複製終結を的確に説明しているか議論が重ねられてきた。


  河野氏らはこれら3つのモデルを検証するために計算機上に再現し、GC skew再構成シミュレーションをバクテリア66種を対象におこなった。本研究のdif-stopモデルには、以前論文ハイライト記事としても紹介してい る河野氏らのdif配列の網羅的な予測を行った先行研究 のデータが利用されている。その結果、Fork-trapモデルにより形成されたGC skewが最もバクテリア本来のGC skewの形状と似ている事が観察された。さらに、各モデルを複合的に組み合わせたモデルを用いた解析において、dif-stopモデルはあまり現実的で はない可能性が示唆された。GC skewはリーディング/ラギング鎖それぞれでの複製プロセスの違いによって起こるゲノムの変異の蓄積を表したものであり、複製開始点と終結点の位置に よって定義される。バクテリア本来のGC skewの形と同じ形をシミュレーションすることが出来ることは、 複製開始点と終結点の位置を正確に再現出来たことを意味し、これまでの3つのモデル中でもFork-trapモデルが最も再現性が高かったことから、この モデルがより正確であることが本研究において結論づけられた。これは複製終結機構に関する議論に対する決定打とも言える証拠になる可能性がある。今後の実 験などによる検証に期待したい。


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図:GC skewのシミュレーション例(GC skewのシフトポイント付近の図)
左 側の図はGC skewグラフの概観を示し、シフトポイント付近を拡大したのが右の図である。右の図では、赤、緑、青、紫の線がそれぞれ、実際のGC skew、fork-trap model、fork-collision model、dif-stop modelを表している。

[ 編集:喜久田薫 ]

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