自然な水平遺伝子移動に寄与する可能性のある雷トリガーエレクトロポレーションとエレクトロフュージョン

本文へスキップ記事へスキップ
エルゼビアロゴ

生命の物理学レビュー
第10巻、第3号、2013年9月、351-370ページ
レビュー
自然な水平遺伝子移動に寄与する可能性のある雷トリガーエレクトロポレーションとエレクトロフュージョン

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1571064513000560

著者リンク オーバーレイパネルを開くTadej Kotnik
もっと見る
共有
引用
https://doi.org/10.1016/j.plrev.2013.05.001
権利と内容を取得する
参照元
ゼウスは遺伝子の水平移動に関与したか
生命物理学レビュー、第10巻、第3号、2013年9月、371-372ページ
J. テイシエ
微生物の進化に対する雷の寄与を推定する： ドレイク方程式からの指針
生命物理学評論、第10巻、第3号、2013年9月、373-376ページ
ジェームズ・C・ウィーバー
生物学的水平遺伝子移動のメカニズム
フィジックス・オブ・ライフ・レビュー、第10巻、第3号、2013年9月、377-379ページ
ボリス・ルビンスキー
生命の進化における稲妻の役割を証明する
フィジックス・オブ・ライフ・レビュー、第10巻、第3号、2013年9月、380-381ページ
ミカエラ・リベルティ、フランチェスカ・アポロニオ、カテリーナ・メルラ、グリエルモ・ディンゼオ
パルス電場が細胞や生体分子に与える影響
Physics of Life Reviews、第10巻、第3号、2013年9月、382-383ページ
アレクサンダー・ゴルバーグ
原核生物の多様性、電気を帯びたDNA、雷波形、生物学的遺伝子移動、ドレイク方程式： 雷駆動進化の仮説の評価
生命物理学レビュー、第10巻、第3号、2013年9月、384-388ページ
タデイ・コトニック
要旨
系統学的研究によると、水平遺伝子転移（HGT）は原核生物の遺伝的多様性に大きく寄与しており、おそらく進化の初期にはさらに多く存在していた。これまで、自然HGTの研究は、主に3つのDNA転移のメカニズムに焦点を当ててきた：共役、自然コンピテンス、ウイルス導入。本稿では、このような4つ目のメカニズム、すなわち大気中の静電気放電（雷）によって引き起こされる細胞のエレクトロポレーションおよび／またはエレクトロフュージョンの実現可能性について論じる。現象としてのエレクトロポレーションについての説明に続いて、水性環境における原核生物のエレクトロポレーションが、非変性DNAの放出、および周囲からのDNAの取り込みと形質転換をもたらすという実験的証拠のレビューを行う。同様に、細胞壁を持たない原核生物が電気融合して、両者の前駆体の遺伝子を発現するハイブリッドになることを示す実験のレビューに続いて、電気融合についての説明がある。十分に微調整された条件下では、エレクトロポレーションと電気融合は、それぞれ人工的な形質転換とハイブリダイゼーションのための効率的なツールであるが、ここで開発された定量的解析は、エレクトロポレーションに基づくDNA放出、DNA取り込み、形質転換、および電気融合のための条件が、雷にさらされた多くの自然水環境にも存在することを示している。したがって、エレクトロポレーションは原核生物間の自然なHGTに寄与していると考えられ、他のメカニズムが希少であったか存在しなかったかもしれない進化の初期には、特に重要であった可能性がある。現代の原核生物では、細胞壁が自然に存在しないことは稀であるが、進化のある段階で細胞壁が形成されたと考えるのが妥当であり、少なくともそれ以前には、電気融合も自然なHGTに寄与していた可能性がある。結論として、雷トリガーHGTの実現可能性を評価するためのいくつかのガイドラインを概説する。

セクションの抜粋
はじめに 生物分類の起源から系統樹まで
文明の夜明けは、環境に存在する生物や無生物に名前を付けるという初期人類の能力の出現と密接に関係していた。その起源は少なくとも77,000年前まで遡ることができる[1]。抽象的思考の発達に伴い、そのような対象物を入れ子状に分類する能力も徐々に生まれた。

系統樹は実はネットワークである
遺伝子比較が系統樹に関する我々の知識と理解に画期的な貢献を果たすと同時に、図に描かれた構造が実は樹木ではないという動かぬ証拠も提供し始めた。厳密に言えば、1946年以来、ある種の細菌が異なる菌株間で遺伝物質の交換-現在では水平遺伝子転移（HGT）と呼ばれている-が可能であることは知られていた[18]。

現象としての膜エレクトロポレーション
生体膜を十分に高い電場にさらすと、膜の電気伝導性と透過性が急速かつ大きく増大する。この効果は膜エレクトロポレーションと呼ばれ、可逆的でも不可逆的でもあり、1958年に興奮性細胞について、1967年に非興奮性細胞について[45]、1972年に脂質小胞について[46]、1979年に平面脂質二重膜について初めて報告された[47]。

理論的考察[48]と分子動力学シミュレーションの両者

現象としての細胞電気融合
膜エレクトロポレーションを誘導するのに十分な振幅と持続時間を持つ電気パルスに生体細胞をさらすと、さらされた細胞同士が融合することも示されている。この効果-細胞電気融合-は、1978年に植物プロトプラストで、1980年に無核動物細胞（赤血球）で、1981年に脂質ベシクルで、1982年に有核動物細胞（線維芽細胞）で初めて実証された[118]、[119]、[120]、[121]。実験によると、2つの細胞を電気融合させることで、以下のことが可能である。

HGTの可能な自然機構としてのエレクトロポレーションと電気融合
大気中の静電気放電（雷）に襲われた水環境では、放電の進入点から下方かつ外側に向かって、放電によって発生する電場は、この点からの距離の二乗にほぼ反比例する。電場はこのように連続的かつ単調に放射状に減少するので、この電場が実質的な加熱には不十分であるが、不可逆的な膜エレクトロポレーションには十分な領域が一般的に存在する。

結論 雷トリガーHGTの実現可能性の評価
上に示した定量的解析は、原核生物集団の密度が十分に高い（すなわち、単位体積当たりの原核生物数が十分に多い）自然水環境の表面に十分に近いところでは、雷トリガーHGTが実現可能である可能性を示唆している。原核生物の密度依存性についての包括的な理論的解析が必要である。

謝辞
本研究は、スロベニア研究庁（助成金P2-0249）の支援を受けた。本研究は、EBAM European Associated Laboratory (LEA)の範囲内、およびCOST Action TD1104のネットワーク活動の中で実施された。

参考文献 (169)
M. Syvanen
種を超えた遺伝子転移：新しい進化論への示唆
J Theor Biol
(1985)
E. Hilario et al.
ATPアーゼ遺伝子の水平転移-生命の樹は生命の網になる
バイオシステムズ
(1993)
O. Zhaxybayeva et al.
クラッド形成、合体、そして生命の3つのドメインの進化
トレンド・ジェネ
(2004)
A. スパング
アンモニア酸化性古細菌の2つの異なる系統における特徴的な遺伝子セットがThaumarchaeota門を支える
トレンド微生物学
(2010)
R. ケブニク
タンパク質とDNAの輸送における細菌の繊毛の役割
トレンド微生物学
(2001)
O. Johnsborg et al.
自然遺伝的形質転換：流行、メカニズム、機能
微生物学
(2007)
A.J.H.セールら.
微生物に対する高電界の影響： 細菌および酵母の殺傷
Biochim Biophys Acta
(1967)
J.C.ウィーバーほか
エレクトロポレーション理論：総説
バイオエレクトロケム バイオエナジー
(1996)
H. Leontiadou et al.
脂質二重膜中の親水性細孔の分子動力学シミュレーション
生物物理学雑誌
(2004)
M. タレック
膜エレクトロポレーション：分子動力学シミュレーション
生物物理学雑誌
(2005)
参考文献をもっと見る
引用文献 (42)
パルス電界処理による食品安全性の向上は、決して静かではない： パルス電界処理による食品安全性の向上：Farzan Zare, Negareh Ghasemi, Nidhi Bansal, Hamid Hosano著「Advances in pulsed electric stimuli as a physical method for treating liquid foods」に対するコメント。
2023年、Physics of Life Reviews
電気穿孔法による突然変異とトランスクリプトーム解析によるSchizochytrium limacinum GCD2032の高DHA生産
2023, 藻類研究
抄録を表示
Fusarium verticillioidesのゲノムワイド解析から、代謝拡大における水平遺伝子移動の菌界間寄与が明らかになった
2019, 真菌遺伝学・生物学
抄録を表示
誘電泳動と光ピンセットを組み合わせた細胞の細胞質伝導度変化の非侵襲的検出
2018, アナリティカ・キミカ・アクタ
引用抜粋：
マイクロ秒からミリ秒のパルス電界に生きた細胞を十分に高い強度でさらすと、細胞膜の透過性が高まり、そうでなければ膜を通過できない分子やイオンが疎水性バリアを通過できるようになる。電気パルスの特性（振幅、持続時間、周波数、数）によって、現象の可逆性を調節することができる[6]。可逆的エレクトロポレーションでは、細胞膜は室温で数分以内に正常な状態に近く回復する [7,8]。

抄録を表示
衝撃波による哺乳類細胞の透過化
2018年、生命の物理学レビュー
抄録を表示
バクテリアのエレクトロポレーションにおけるソフトレイヤーの特性の影響の数値的研究
2018, バイオ電気化学
引用抜粋：
遺伝子形質転換における重要な検討事項の1つは、使用する核酸の分子形態であり、これは微生物の適性に影響を与える可能性がある。最適な電場強度は細菌種や菌株によっても異なるが、一般的には5～20 kV/cm、パルス持続時間はミリ秒である[8,23]。細菌にエレクトロポレーションを介した遺伝子形質転換を行うためのプロトコルは、現在、主に試行錯誤によって開発されているが、このプロセスは時間がかかり、完全に経験的なものである。

抄録を表示
Scopusで全ての引用論文を見る
全文を見る
著作権 © 2013 Elsevier B.V. 無断複写・転載を禁じます。
エルゼビアのロゴとワードマーク
サイエンスダイレクトについて
リモートアクセス
ショッピングカート
広告掲載
お問い合わせとサポート
利用規約
プライバシーポリシー
当社は、サービスの提供・向上、コンテンツや広告のカスタマイズのためにクッキーを使用しています。続行することで、クッキーの使用に同意したことになります。

このサイト上のすべてのコンテンツ： 著作権 © 2023 Elsevier B.V.、そのライセンサー、および寄稿者。テキストマイニング、データマイニング、AIトレーニング、および同様の技術に関するものも含め、すべての権利はエルゼビアに帰属します。すべてのオープンアクセスコンテンツには、クリエイティブ・コモンズのライセンス条件が適用されます。

RELXグループホームページ
フィードバック