細菌の遺伝子機能を明らかにする新しい方法

遺伝子の配列を知っても、その機能がわかるとは限らないんだ。たとえば、よく研究されてる大腸菌では、約3分の1の遺伝子がわからないタンパク質に関連してる。遺伝子の働きを調べる従来の方法、たとえば欠失変異体を作るのは、かなり時間や労力がかかることが多い。単一の遺伝子をノックアウトしても、他の遺伝子がその役割を補うから、変化が見られないこともある。ゲノムの配列を決めるのは早いけど、その機能を理解するのは遅れてるから、多くの遺伝子は既知の遺伝子との類似性に基づいてラベル付けされるだけなんだ。

最近、AlphaFoldみたいなツールが、タンパク質の形を予測するのに役立ってるけど、これらのモデルはまだ実験を完全に置き換えられない。予測されたタンパク質の形を知っても、その働きを説明することはできない。多くの遺伝子の機能がわからないから、新しい薬の探索に集中できないんだ。有害なバイ菌で見つかった仮想遺伝子は、大腸菌と違う場合があって、異なる種の遺伝子機能を研究するためのより良い方法が必要だってことを示してる。

#遺伝子の働きを知る方法

遺伝子の働きを知る一つの方法は、正常に機能できない変異体を作って、その影響を細胞の生物学にどう反映されるかを見ることだよ。これには、RNA、タンパク質、他の小分子など、細胞の全ての側面を分析する必要がある。ただ、この方法は多くの仮想遺伝子に簡単には適用できないし、似た役割を果たしてることもあるんだ。もう一つの方法は、遺伝的相互作用を研究すること。もし二つの変異体を組み合わせた時に予想外の影響が出たら、それが彼らの機能に対する手がかりになる。

クラシックな例は、二つの遺伝子が合成致死性を示す場合。つまり、どちらかの遺伝子を別々にノックアウトしても細胞に害がないけど、同時に両方をノックアウトすると致命的になるってこと。こうした相互作用に関わる遺伝子は、機能的に結びついてることが多いんだ。多くの変異体の相互作用を一度に測定するための方法も開発されてる。

こうした方法の一つの課題は、たくさんの単一変異体株とロボット機器が必要で、そういう設備がない研究者も多いから、包括的な研究は主に酵母で行われてる。

#遺伝子研究の進展

転移因子挿入シーケンシング（TIS）っていう別の方法は、遺伝子機能を研究するために、各遺伝子の単一変異体株を持つ必要がなく、変異体ライブラリーを作ることができる。このアプローチでは、小さなDNA片である転移因子が無作為にゲノムに挿入される。これらの転移因子が挿入された周辺をシーケンシングすることで、どの遺伝子が影響を受けてるか、成長にどれだけ重要かを知ることができる。

TISを改善してもっと遺伝的相互作用を発見するために、デュアル転移因子シーケンシング（Dual Tn-seq）っていう新しい方法が開発された。この技術を使うと、研究者は二重変異体を並行して研究できるから、二つの遺伝子を同時にノックアウトした時の影響を効率良く見ることができる。

この研究では、有害なバイ菌である肺炎球菌をデュアルTn-seqのテスト対象に選んだ。二つの異なる転移因子変異体のライブラリーを作成して、それぞれユニークなDNAバーコードを持たせた。これらのライブラリーを混ぜることで、約14億の二重変異体が形成された。この二重変異体のフィットネスを分析することで、異なる遺伝子がどのように協力して働くかを示唆する多くの遺伝的相互作用を特定できたんだ。

#デュアルTn-seqの仕組み

デュアルTn-seqのプロセスの準備として、研究者は二つのコレクションの変異体を作った。それぞれの変異体には特別なバーコードを持った転移因子が搭載されてた。株を混ぜて成長させることで、膨大な数の二重変異体を生成した。

成長期間の後に、バーコードがシーケンス機械で読まれる形で組み合わさる反応を誘発した。これらのバーコードのシーケンス後、研究者はデータを分析して、どの遺伝子変異の組み合わせがバイ菌の成長に影響を与えるかを調べた。

合計で、研究者は約90万ペアの遺伝子を評価した。特定の変異の組み合わせが予想以上に害を及ぼす場合の悪影響を探った。その結果、多くの遺伝的相互作用を特定し、細胞壁形成などの重要なプロセスに関与する新しい調節因子を発見する可能性を示唆することができたんだ。

#デュアルTn-seqから得られた洞察

この研究で、細胞の重要な機能に関連するいくつかの遺伝子の興味深い相互作用が明らかになった。たとえば、RNAやDNAの構成要素であるCTPを合成する新しい酵素が特定された。この酵素は、特に条件が特定の栄養素の利用を制限する時に、バイ菌にとって重要なんだ。

さらに、研究者はバイ菌内の物質を輸送するのに関与していると思われる遺伝子も見つけた。この知識は、バイ菌が栄養素を取り込む方法を理解するのに役立ち、彼らの生存や病原性にとって重要だよ。

また、重要な代謝経路に関わる遺伝子も調べられた。これらの経路がどのように相互作用するかを理解することで、バイ菌がどのように繁栄し、治療のターゲットになり得るかに光を当てることができる。

この研究は、以前あまり理解されていなかった特定のタンパク質の役割も強調した。たとえば、YjbKというタンパク質は、細胞壁を作るのに重要なMurAというタンパク質を助けることが示されたんだ。

#抗菌薬耐性への影響

抗生物質に抵抗力を持つバイ菌の増加は深刻な問題だよ。バイ菌内での遺伝子の相互作用と機能を発見することで、これらの耐性株に対抗する新しい戦略が見えてくるかもしれない。バイ菌の分子メカニズムを理解することで、より効果的な薬が開発できるかもしれない。

この研究は、遺伝的相互作用マッピングを使って遺伝子機能を発見し、新しい薬のターゲットを探る道の可能性を示してる。こうした方法が進歩すれば、異なるバイ菌の生物学についてのさらなる洞察を提供して、抗生物質耐性の問題に対抗する手助けになるかもしれない。

#結論

まとめると、遺伝子の配列を知っているのは役立つけど、その機能を理解するには直接つながらない。遺伝子機能を研究する従来の方法は手間がかかって制限が多い。デュアルTn-seqのような新しい技術は、より大規模で遺伝的相互作用を明らかにする方法を提供して、研究者が遺伝子機能をよりよく理解し、新薬のターゲットを特定する助けになるんだ。

このアプローチは、現在「仮想」とラベル付けされてる多くの遺伝子を一度に研究する可能性を開くよ。遺伝子ツールやシーケンシング技術の進歩が続けば、研究者は遺伝子機能の複雑さとその健康や病気に対する影響に立ち向かう準備が整うだろう。