Ⓒ日本臨床微生物学会 2013

［総説］

病原菌の薬剤耐性化と生命の進化橋本一 1）・村山琮明 2）

1）

群馬大学医学部微生物学教室（元）2）

日本大学薬学部分子細胞生物学研究室（平成 25 年 1 月 31 日受付）
病原菌の薬剤耐性化は薬剤の血中濃度が感受性菌の MIC と耐性菌の MIC との間の領域（MSW）内にある時間が長いとき，耐性菌の選択増殖がおこる必然的な結果である。病原微生物の薬剤耐性機構としては，薬剤の不活化，作用点の変異，流入阻害，排出がある。耐性化機
構としては，内在遺伝子の変異か外来性遺伝子の獲得がある。後者の機構には形質転換，形質導入，接合伝達がある。外来性遺伝子の起源を辿ると二億年以前の薬剤生産菌の自己防衛機構におよぶ。殆どの薬剤は他の低分子とともに，低濃度で種々の遺伝子発現調節能がある。薬剤を含む低分子の起源は情報伝達因子でもあり，生命の起源では RNA とともにタンパク質合成に関する重要因子とも推定されている。微生物進化はゲノムの進化であり，遺伝子の重複，変異，水平遺伝などによる。病原菌の進化も種々の環境変化に適応する姿であり，薬剤耐性化は
生命進化解析の格好の題材と言えよう。
Key words: MSW，薬剤耐性化機構，水平遺伝，耐性遺伝子の起源，parvome

感染症は病原微生物とその宿主であるヒトと抗菌薬剤との三者間における，所謂 Host-parasite-drug relationship によって進行する。本総説に於いては，上の諸関係のうち，薬剤に対する病原菌の耐性化機構とその由来を論じ，それが微生物進化の最終段階とも考えられることから，生命進化のひとつの段階として解説する。
耐性菌の出現
今日臨床では作用機序のちがう種々の抗菌薬が使われているが，これら薬剤投与中に難易の差はあるが決まって耐性菌が現れ，はてはどの薬剤も効かない多剤
耐性菌の出現までに至っている。曾てカナマイシン（KM）を常用している結核患者を調べた経験では，全投与量 50 g 以上の患者からのみ KM 耐性菌が分離

著者連絡先：（〒371-0856）群馬県前橋市総社町高井 528-6
（自宅）
橋本 一
TEL: 027-251-7326
FAX: 027-251-7326
E­mail: um3wv7@bma.biglobe.ne.jp

され，それ以下の患者 300 人ほどの誰からも耐性菌の分離は無かった。新キノロンは 1984 年にはじめて市場にでたので，耐性菌発現の格好のモデルになるだろうと，群馬大学病院において緑膿菌の耐性化を見守ったところ，もう初年度から耐性菌が現れ，病院での使用量が増すのにつれて耐性菌分離率も増加して 20％以上になり，3 年後には高度耐性菌も現れる結果をえた。
そもそも抗菌剤の適正使用とは感受性菌を抑え耐性菌を出さないことにある。それには PK・PD，つまり薬剤濃度の体内推移や菌への作用動態を見ながら投薬量や投与間隔が決められ，薬剤によって投与法が違ってくる。しかし，薬剤濃度が感受性菌の MIC を越えていても，耐性菌の MIC 以下である場合は，耐性菌を選択することとなり，やがて化学療法が無効になる。この耐性菌の MIC と感受性菌の MIC との間のことを MSW（Mutant Selection Window）と言い，薬剤の血中濃度が MSW 中にある期間が長いと必然的に耐性菌の出現が起るのである（図 1）。

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橋本 一・村山琮明

2

図 1.

A

耐性菌の増殖を許す血中濃度。抗菌薬の血中濃度が MSW 内にある時間に耐性菌の増殖がおこる。

B

緑膿菌の染色体 DNA

菌染色体 DNA には端がない。全長 1 mm におよぶ。
1 μm

図 2.

遺伝子 DNA の電子顕微鏡写真。A）緑膿菌 PAO1 を蒸留水でパンクさせたもの。一本の環状 chromosome DNA が折り畳まれて細胞壁に付着している。DNA 末端が見えないことに注意。B）plasmid DNA。大腸菌 K-12 株保有の R
plasmid を分離したもの。酵素処理をしているので，花模様を示す環状 DNA がくずれたものもみえる。

病原菌の耐性機構
菌の耐性機構は大別して 3 種あり，それぞれに 2 種類の機構がある：1）薬剤は分解されたり低分子の付加なりでその構造が変化すると，当然その作用を失う。β ラクタム剤はその β ラクタム環の開裂で，アミノグリコシドはその水酸基やアミノ基がリン酸化，ア
セチル化，またアデニリル化で修飾されると活性を失う。2）薬剤の作用点とは DNA 合成など生存に必須な代謝にあずかる酵素，または必須構造物，例えば細胞壁をつくる酵素なのである。それらの作用点が質的に，又は量的に変化すると薬剤の作用が及ばなくなる。ブドウ球菌で DNA 合成酵素ジャイレースやトポ
イソメラーゼの変異でキノロン耐性となり，プロテウ
スでは高頻度に耐性遺伝子の重複が起り薬剤耐性度が増す。3）薬剤がその作用点に至る経路に障害がある
場合，つまり流入阻害や排出昂進があると，その作用2

R プラスミド DNA の生体内での花模様形態と，それがほどけた図

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2013.

がおよぶには至らない。緑膿菌のカルバペネム耐性にはポーリンの狭窄による薬剤の流入阻害が知られており，同菌のキノロン耐性では上記ジャイレースの変異の他に薬剤の排出による場合が多い。
病原菌の薬剤耐性化機構
菌が耐性化する機構としては 1）突然変異，2）水平遺伝，3）誘導の三つの機構がある。細菌細胞の遺伝体としては菌の生存に不可欠な遺伝子 DNA よりなる染色体（chromosome）と，それより独立して細胞質内にあり，生存に不可欠ではないが病原性や薬剤耐性など種々な環境に適応する遺伝子よりなる遺伝体（plasmid）がある（図 2）。突然変異による耐性化とは主に chromosome の塩基配列が変異することで，1a）構造遺伝子の変異と 1b）調節遺伝子の変異とある。1a）構造遺伝子の変異の例として古典的な研究結病原菌の薬剤耐性化と生命の進化
表 1.
変異の回数
（親株）
第1回
第2回
第3回
第4回
伝達後

3

大腸菌 C600 のセファレキシン耐性化

CEX MIC（μg/ml） コロニーの大きさ
6
50
60
500
500

普通
小
普通
小
普通

500

普通

DNA の変化（pbpB ）アミノ酸の変化（PBP3 ）

変異誘発剤

AAC → AGC
GTT → ATTTAC → CTCGAA → AAAAsn → Ser（361）
Val → Ile （530）
Tyr → Leu（541）
Glu → Lys（349）

EMS
EMS
UV
EMS

11）

Hedge and Spratt, 1985
耐性度上昇の途中で，増殖速度が遅いためコロニー形成が小さい段階がある。

表 2.

黄色ブドウ球菌のキノロン耐性遺伝子
コドンの変化臨床株

MIC（μg/ml）
CPFX

gyrA 変異

grlA （ parC ）変異RN4220
SA42

1
0.5

No
No

No
No

SA1
SA3
SA2

2
4
16

No
No
No

80 Ser → Phe
80 Ser → Phe
80 Ser → Tyr

SA47
SA4
SA5
SA6
SA35
SA42R

16
32
32
32
64
128

84 Ser → Leu
88 Glu → Lys
84 Ser → Leu
84 Ser → Leu
85 Ser → Pro
84 Ser → Leu

80 Ser → Tyr
80 Ser → Phe
80 Ser → Phe
80 Ser → Phe
80 Ser → Tyr
80 Ser → Tyr

Ferrero, 199412）

果を表 1 にあげる。細胞壁合成酵素の支配遺伝子が一塩基ずつ変わる事で酵素蛋白のアミノ酸がひとつずつ変わり，β ラクタムへの耐性値が上昇して行き，ついには高度耐性菌となる例である。二種類の遺伝子が関与する場合では，ブドウ球菌のキノロン耐性の場合のように，MIC の低い発現の遺伝子の変異で低度耐性が，二つの遺伝子の変異で高度耐性となる
（表 2）
。1b）
調節遺伝子の変異の例としては，緑膿菌のキノロン耐性化がある。この菌をキノロンの 4 倍 MIC 濃度で選択すると，低頻度ながら高度耐性菌が分離される。それには DNA 合成にかかわるジャイレース構造遺伝子
変異体も分離されるが，ほかに種々の調節系遺伝子の変異体を容易に分離することができる。この菌にはRND と称する 3 種の構造蛋白よりなる 12 種の排出系があるが，それぞれは調節遺伝子が 3 個の構造遺伝子に隣接しており，それにより野生株では排出機能が抑えられている。この調節遺伝子の突然変異によって抑制が解かれると 3 種の構造蛋白が生成され薬剤排出がおこる。排出はキノロン剤だけでなく，種々の組み合

わせの他種薬剤にも及ぶので一挙に多剤耐性になりうる（表 3，図 3）。
2）水平遺伝とは他菌から耐性遺伝子の流入によって耐性化することで，それには 2a）形質転換，2b）
ファージによる導入，2c）接合伝達の三種がある。形質転換とは裸の遺伝子 DNA の侵入で新しい形質発現が起る機構で，その例としては肺炎球菌のペニシリン（PC）耐性がある。肺炎球菌は病原性遺伝子の授受で形質転換が初めて発見された菌として知られている。
ペニシリン耐性遺伝子を調べてみると口腔常在の自然耐性菌ミティス菌と耐性遺伝子の部分が同一の例があり，この場合，口腔内での常在菌からの形質転換が起って病原菌が耐性化した例とされている。
2b）導 入 に よ る 耐 性 化 と は，耐 性 菌 に 感 染 し た
ファージが誤って殻内に耐性遺伝子 DNA をとりこ
み，つぎに感受性菌に感染してその耐性遺伝子 DNAを送り込み，それが宿主染色体（ゲノム）に組み込まれて耐性発現をさせる機構である。ブドウ球菌は種々のファージがすでにそのゲノム内に入り込んでおり
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橋本 一・村山琮明

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表 3.
菌株
1 野生株
変異株
2 野生株
変異株
3 野生株
変異株
4 野生株
変異株

キノロン耐性緑膿菌変異株の薬剤感受性
MIC

NA

NFLX

PIPC

CBPC

CFS

IPM

GM

KM

TC

CP

50
400
50
1600
50
200
50
800

0.8
6.3
0.8
25
0.8
12.5
0.8
12.5

3.1
3.1
3.1
12.5
3.1
3.1
6.3
3.1

25
25
50
100
50
12.5
25
25

3.1
1.6
1.6
12.5
1.6
0.8
3.1
1.6

3.1
6.3
1.6
3.1
1.6
0.4
1.6
6.3

6.3
6.3
3.1
3.1
1.6
1.6
12.5
3.1

200
200
100
100
100
25
400
25

12.5
12.5
12.5
25
25
25
12.5
12.5

100
200
100
400
100
200
100
800

分離頻度

変異型

9.5×10−9

nfxA

4.3×10−8

nalB

6.7×10−9

nfxB

3.3×10−8

nfxC

使用菌は種々のノルフロキサシン（NFLX）感受性の臨床分離株 . いずれからも低頻度ながら種々の耐性型のものがえられ，
4 グループに分けられた。これらは後にジャイレース変異株（No1）と 3 種の薬剤排出変異株であることが解った。それぞれの代表株を表に示した。薬剤排出により多剤耐性になるが，nfxC 型では KM に感受性化するのが特徴的であり，KM が直接排出に関係しているのではなく，複雑な機構によるが，まだ明解でない。

図 3.

緑膿菌の多剤排出による耐性。排出は 3 種のタンパク質よりなり，それらをコードする遺伝子は隣接して 1 オペロンを示し，さらにその上流に 1，2 の調節遺伝子がある。nfxC 型の調節は 2 段階であり nfxC は negative, mexT は positive に働く。

（溶原化）
，紫外線などで容易に誘発しうる。どんな遺伝子も運びうる導入ファージも知られている。MRSAの出現もその耐性遺伝子が自然耐性のコアグラーゼ陰性菌から導入されたものと考えられている。
2c）接合伝達による耐性遺伝子の伝搬は耐性菌がオス菌にあたり，感受性菌がメス菌で，オスメスの接合で耐性遺伝子が伝達する。接合はグラム陰性菌に広く見られる現象であり，陽性菌では腸球菌で高頻度伝達系も知られている。接合伝達は多くの遺伝子が関与する複雑な機構であり，グラム陰性菌ではオス菌が性線毛でメス菌を捉え，遺伝子の注入複製がおこる（図 4
A）。その全過程には 30 近い数の遺伝子群の関与する例も知られている（図 5）。腸球菌の場合はメス菌が 84日本臨床微生物学雑誌 Vol. 23

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個ばかりのアミノ酸よりなるペプチドである誘因物
質，フェロモンを排出し，それをうけてオス菌が菌表面全体に凝集物質をだして接合にいたる（図 4B）。いずれの接合伝達でも，耐性遺伝子はオスの性質を与える R プラスミドと言う，薬剤耐性遺伝子（群）を含
む細胞質性遺伝体にくみ込まれて細胞質から細胞質に移行し，受容菌を一挙に多剤耐性化したりする。プラ
スミド上の耐性遺伝子は単剤または多剤耐性遺伝子群が両端に同一反復構造をもつトランスポゾン（Tn）として，プラスミド間またはプラスミドと宿主ゲノム間を高頻度に移行したりする（図 6）。この場合移行にかかわる酵素は Tn の末端にある組み込み遺伝子の形
質発現によるが，このような組み込み機構が移行をう

病原菌の薬剤耐性化と生命の進化

5

繊毛は付着
性繊毛は接合鞭毛は運動A
フェロモン前オスメス接合時に他のオスがメスを捕らえようとしている
腸球菌のオスフェロモン後→Aggregation
substance

→

B
図 4.

R プラスミドの接合。A）グラム陰性菌の接合。オスメス接合時に他のオスがメスを性繊毛で捉えようとしている。
菌表面全体に生えているのは普通の繊毛である。B）グラム陽性腸球菌がメス菌の出すフェロモンで全表面に凝集物質を表出する。

けるゲノム上にある場合は，インテグロン（In）と言って挿入箇所特有の DNA 塩基配列とその近くに組み込
み用酵素（インテグラーゼ）遺伝子がある。
他の菌から新しい遺伝子を受け取る場合，必ずしも菌にとって有用のものばかりとは限らない。菌には自分に害を及ぼす遺伝子を受け付けない機構も備わっている。一つは制限修飾系で，自分の特定の数個の特殊な DNA 塩基配列をメチル化しておき，メチル化してない外来性 DNA を分断してしまう機構である。もう一 つ は ヒ ト の 免 疫 系 に 似 た 機 構 で CRISPR と い わ
れ，一度侵入された DNA の部分を自分のゲノム内にとりこみ，同じ DNA 部分を持つ再度の侵入体を分断する。CRISPR 配列から読み取られた RNA（crRNA）

が CRISPR 上 流 の CAS タ ン パ ク と 複 合 体 を 作 り，
外来の DNA の相補的な配列を認識して切断除去する１）。
3）誘導による耐性化というのは，既に耐性遺伝子をもちながら，その形質発現が調節遺伝子からの転写，または翻訳の段階で抑制されており，基質としての薬剤があると調節遺伝子の転写翻訳が始まる，という機構である。ブドウ球菌のペニシリン，またはメチ
シリン耐性遺伝子の形質発現では，薬剤が菌表面の受容体に結合すると，それが活性化して耐性遺伝子系のリプレッサーを壊し，転写がおこる。一方マクロライ
ド耐性の場合は普段は耐性 遺 伝 子 の 転 写 物 で あ る
mRNA が翻訳されず，薬剤があるとその mRNA に結日本臨床微生物学雑誌 Vol. 23

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図 5.

図 6.

プラスミド DNA の接合伝達。接合には，各段階で異なる Tra, Trb の 30 程の遺伝子が関与している。

種々のトランスポゾン（Tn）を含む多剤耐性 R プラスミド。各 Tn の両端には同一塩基配列の反復が見られる。IS2
は耐性と関係なくどこにも転移可能な挿入因子（Insertion sequence）である。

合して構造を替え，翻訳を可能にする。14 員環マクロライドには耐性であるが 16 員環マクロライドには感受性の菌があるのは，16 員環には誘導能が無いからである。エンテロバクターの β ラクタマーゼ産生誘導機構はさらに複雑で，ラクタム剤で分断された細胞壁断片が細胞質内に取り込まれてアクチベーターとなり，耐性遺伝子を発現させる２）。
耐性遺伝子の起源
病原菌の耐性遺伝子は水平遺伝によって病原菌間に広まるが，その遺伝子のそもそもの由来は非病原性の
自然耐性菌である。またその耐性菌は必ずしもヒトが薬剤を使用した為に出現したわけでもない。現代でもまだ抗菌剤を使った事の無い，未開の人種の調査で抗菌剤耐性菌が分離されているし，さらに画期的発見はカナダにおける 3 万年前の永久凍土から β ラクタ
ム，アミノグリコシド，テトラサイクリン，バンコマ
イシン等の耐性遺伝子 DNA が分離されたことであ6

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る３）。さらに耐性遺伝子の起源をたどると 8〜2 億年前と推定される薬剤生産菌の自己防衛機構として既に耐性機構は進化していたと考えられている。現在，殆どの薬剤の生産菌は土壌菌である放線菌であり，その放線菌をしらべると，自己の出す薬剤に対してだけでな
く，他菌のだす薬剤に対しても耐性である場合もあり，土壌内フローラの複雑性の中で薬剤耐性への進化が行われたのである（表 4）。
生物の耐性機構が代謝経路の必須酵素から進化したのであろうことはタンパク質の三次元構造の比較からも推定される。例えばリン酸化酵素（kinase）は種々な二次代謝で必須な酵素であり，基質の異なる種々なkinase が知られている。Yeast casein kinase とアミノ
グリコシド kinase APH（3ʼ）-IIIa との 3 次元構造を比較してみると全体の構造はとても似ており，それら生存に必須の kinase から薬剤を基質にするような進化が起きたかもしれず，または共通の起源タンパク質から別々に進化してきたのかもしれない，と考えられて病原菌の薬剤耐性化と生命の進化
表 4.
生産菌

Streptomyces
tenebrarius ISP 5477
S. spectabilis ISP
5512
S. kasugaensis MB
273
S. tenjimariensis
SS-939
S. kanamyceticus
ISP 5500
S. fradiae ISP 5063

7

アミノグリコシド（AG）生産放線菌の AG 耐性
アミノグリコシド耐性＊

生産
抗生物質

SM

KM

DKB

GM

RSM

BTN

FRM

PRM

LVDM

NE

ISM

TOB

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

SPCM

●

○

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

KSM
ISM
KM

●

FRM

○

GM

●

Micromonospora sp.
SS-1853
S. catenulae ISP 5258

PRM

S. griseus ISP 5236

SM

●
●

●
○

●

●

●

●

●
●

●

●

●

50 μg/ml の AGs に対する耐性（ISP No.4 培地での生育：27℃，7 日間培養），●耐性， 弱耐性，○微弱耐性，空白：感受性，BTN：ブチロシン A，ISM：イスタマイシン A，KM：カナマイシン，NE：ネアミン，LVDM：リビドマイシン 13）いる。同じような三次元構造の比較では，細胞壁合成
酵素 D-Ala-D-Ala ligase とバンコマイシン耐性酵素 DAla-D-lactate ligase と の 比 較，ま た Streptomyces
DDpeptidase と TEM 型 β ラクタマーゼとの比較でも類似性がみられている４）。
酵素の基質が遺伝子の変異によって大きく変わった実例としては，アミノグリコシドの修飾酵素がその遺伝子の変異でキノロン修飾酵素に変わった実験例がある５）。
薬剤，その他小分子の耐性との関連臨床で用いられる薬剤濃度は結構高濃度であるが，薬剤生産菌が土壌内で排出する薬剤濃度はそれほど高くない筈である。薬剤生産の本来の役目は抗菌以外でもあったろうと推定される。Julian Davies はブドウ球菌で発光遺伝子（ノーベル賞受賞者下村博士発見の発光蛋白生成遺伝子）を種々の必須遺伝子内に組み込
み，種々の遺伝子発現への薬剤の作用を発光の程度でしらべると，種々の薬剤で抗菌濃度より遥に低い濃度で種々の遺伝子の形質発現を調節していることがわかった（図 7，8）。
種々の菌でストレプトマイシン（SM）が無いと生育しない SM 依存菌が知られており，このことから J.
Davies は生命の歴史の初めには SM その他の小分子が RNA とともにタンパク合成にあずかっていたのではないか，という仮説をたてている。その後，タンパ

ク質のほうが RNA と協力してより効率よくタンパク質合成ができるように進化したのだが，まだ RNA と結合できる能力のある SM がかえってタンパク質合成を阻害するようになったのだ，というのである。生命進化の初期段階は依然として明らかではないが，後に抗菌剤として進化する種々の低分子化合物が初めは必
須代謝や調節にたずさわっていたことは充分推定される。
種々の抗菌薬に対して感受性の菌が死滅する機構は必ずしも薬剤の直接作用によるのではなく，多くの場
合代謝の乱れによるオキシダントの処理不能が関係する。この場合菌は SOS 機能が発現し，耐性ではないがトレラントの状態となる。この SOS 機能を昂進させる低分子として硫化水素が働くことが知られている６）。この他に，感受性菌がバイオフィルムを生成しても耐性化し，緑膿菌のトブラマイシン耐性度が 100倍以上になった例もある７）。バイオフィルム生成には
所謂クオラムセンシング機構と言って，菌の密度が高まると，特殊な低分子生成濃度が高まり，その受容体が活性化して，多糖体などの産生が昂進することが知られている。その他，cyclic-di-GMP などもバイオフィ
ルム生成に関係している８）。
以上のように薬剤をふくみ，種々の低分子は種々の活性を示すので J. Davies はこれらを parvome と総括
している９）。病原菌の薬剤耐性またその程度にはこれら parvome や環境因子の関与があるが，まだ充分に
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8

図 7.

発光遺伝子を利用して薬剤の転写活性への影響を見る。Julian Davies：2011 年 9 月，東京。左，黄色ブドウ球菌への抗菌活性。右，N-acetylgulcosamidase のプロモーター活性。

図 8.

8

種々の抗菌薬の種々の転写昂進活性。J. Davies. IUMS 2011 Congress, 札幌

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病原菌の薬剤耐性化と生命の進化
表 5.
古細菌界（Domain Archaea）
真性細菌界（Domain Bacteria）
第 X 門，シアノバクテリア
第 XII 門，プロテオバクテリア
第 I 綱，α プロテオバクテリア
第 VI 目，リゾビア
第 III 科，ブルセラ
第 II 綱 β プロテオバクテリア門
第 IV 目，ナイセリア
第 III 綱，γ プロテオバクテリア門
第 V 目，レジオネラ
第 VIII 目，シュードモナス
第 I 科，シュードモナス
第 I 属，シュードモナス
緑膿菌，プチダ菌
第 II 科，モラキセラ
第 II 属アチネトバクター
第 X 目，第 I 科，第 I 属ビブリオコレラ菌

9

病原細菌の分類第 XII 目，腸内細菌
第 I 科，腸内細菌
第 I 属大腸菌
第 V 属ブフネラ
第 X 属サイトロバクター
第 XI 属エドワードシエラ
第 XII 属エンテロバクター
第 XVI 属クレブシエラ
第 XVIII 属プロテウス
第 XXXII 属サルモネラ
第 XXXIII 属セラチア
第 XXXIV 属シゲラ
第 XL 属エルシニア
第 XIII 目，第 I 科パストゥレラ
第 I 属パストゥレラ
第 III 属ヘモフィルス

第 XIII 門，ファーミキューテス
第 I 綱，クロストリディア
第 III 綱，バチルス
第 I 目，バチルス
第 IV 科，リステリア
第 V 科，ブドウ球菌
第 II 目，乳酸菌
第 IV 科，腸球菌
第 VI 科，レンサ球菌
第 XIV 門，第 I 綱アクチノバクテリア
第 I 目第 VII 亜目，コリネバクテリア
第 I 科，コリネバクテリア
第 IV 科，ミコバクテリア
第 XVI 門，クラミジア
第 XVII 門，スピロヘータ
第 XX 門，バクテロイデス

第 V 綱，ε プロテオバクテリア
第 I 目，カンピロバクテリア
第 I 科，カンピロバクテリア
第 II 科，ヘリコバクター

バージーのマニュアル第 2 版，200110）
表 6.

ゲノムの大きさ生物種

塩基対数（Mbp）

生物種

塩基対数（Mbp）

ヒト
マウス
イネ
ショウジョウバエ
線虫
熱帯熱マラリア 3D7
酵母 S288c
放線菌 NBRC 13350
緑膿菌 PAO1
大腸菌 O157 Sakai
バクテロイデス YCH46
腸炎ビブリオ RIMD 2210633
ネズミチフス菌 LT2
セラチア FG194
大腸菌 K-12

3,224.5
2,726.0
382.8
139.7
100.3
23.3
12.2
8.6
6.3
5.6
5.3
5.1
5.0
4.9
4.6

結核菌 H37Rv
枯草菌 168
癩菌 TN
ウエルシュ菌 13
黄色ブドウ球菌 Mu50
肺炎レンサ球菌 TIGR4
化膿レンサ球菌 M1 GAS
インフルエンザ菌 Rd KW20
メタノコッカス S2
ピロリ菌 26695
肺炎クラミジア CWL029
梅毒トレポネーマ Nichols
リケッチア Madrid E
マイコプラズマ M129
ブフネラ APS

4.4
4.2
3.3
3.1
2.9
2.2
1.9
1.8
1.7
1.7
1.2
1.1
1.1
0.8
0.7

緑膿菌のゲノムはグラム陰性菌中最大である。

知られてはいない。
病原細菌の分類
病原菌の薬剤耐性の進化の問題は遺伝子 DNA の進化の立場から考察されて来たが，DNA 塩基配列の方法が発展するにつれ，臨床における感染症での原因菌の 同 定 で も，発 現 さ れ た 形 質 よ り は そ の 大 本 のDNA，菌のゲノム構成が問題となってきた。病原菌の分類にもっとも権威があるのは Bergey のマニュアルであるが，それは DNA 解析に基づき 2001 年に大改訂されて第 2 版がでた１０）。病原性グラム陽性菌のほとんどは Firmicutes（堅い殻）門に属し，グラム陰日本臨床微生物学雑誌 Vol. 23

No. 1

2013. 9

橋本 一・村山琮明

10性病原菌は Proteobacteria 門に属す。球菌のブドウ
球菌と桿菌のバチルスが同じバチルス目に入り，昆虫
寄生菌であったブフネラが大腸菌と同じ腸内細菌科に属するようになったのも画期的な事である（表 5）。
病原菌のゲノムの大きさを見ると緑膿菌が 6.3 Mbp で最も大きく，それは種々の環境に適応する調節遺伝子の進化 の 結 果 で あ る。大 腸 菌 O157 が K12 株 よ り 1
Mbp も大きいのは，それだけ多くの病原性遺伝子が入り込んだ為である。一方ブフネラは K12 株より 4
Mbp も少なく最低のゲノムサイズであるが，これは細胞内寄生により多くの必須遺伝子までも失ったためである（表 6）
。同じミコバクテリアでも培養不能のライ菌は結核菌よりゲノムサイズが小さい。これも退行性進化の例であろう。
本稿では薬剤耐性の進化に限って述べたが，同様な過程で病原性遺伝子の進化があり，更に 20 億年に及ぶ単細胞微生物の時代よりヒトに至る膨大な進化の過程があるが，基本原理は遺伝子の重複，変異，伝達，組み替えであり，薬剤耐性遺伝子は実験対象としても，実験手段としても，生物進化の解明に最もよく用いられて来たのである。

EMBO J. 13: 4684-4994.
3）DʼCosta, V.M., C.E. King, L. Kalan, et al. 2011. Antibiotic resistance is ancient. Nature 477: 457-461.
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5）Robicsek, A., J. Strahilevitz, G.A. Jacoby, et al. 2006.
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9）Davies, J. 2011. How to discoveer new antibiotics: harvesting the parvome. Curr. Opin. Chem. Biol. 15: 5-10.

謝辞：本稿は著者の一人（橋本）が 2012 年の第 23回日本臨床微生物学会での特別講演で発表した内容に基づくもので，共著者村山はそのときの共同研究者です。講演を依頼して下さった総会長，稲松孝思博士（東
京都健康長寿医療センター）に感謝致します。またその前年，来日講演時，スライドコピーを分与して下さった Julian Davies にも謝意を表します。
文

献tion, Springer-Verlag, New York.
11）Hedge, P.J., B.G. Spratt. 1985. Resistance to betalactam antibiotics by re-modelling the active site ofan E. coli penicillin-binding protein. Nature 318: 478480.
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2）Jacobs, C., L.J. Huang, E. Bartowsky, et al. 1994. Bacterial cell wall recycling provides cytosolic muropeptides as effectors for beta-lactamase induction.

日本臨床微生物学雑誌 Vol. 23

Bergeyʼs Manual of Systematic Bacteriology 2nd Edi-

12）Ferrero, L., B. Cameron, B. Manse, et al. 1994. Cloning

1）Zhang, J., C. Rouillon, M. Kerou, et al. 2012. Structure1010）D.R. Boone, R.W. Castenholz, G.M. Garrity ed. 2001.

No. 1

2013.

DNA topoisomerase IV: a primary target of fluoroquinolones. Mol. Microbiol. 13: 641-653.
13）堀田国元，岡本了一，近藤信一．1993．アミノグリ
コシド耐性．p.

81-103，病原菌の薬剤耐性（橋本一，井上松久編），学会出版センター，東京.

病原菌の薬剤耐性化と生命の進化

11

Emergence and evolution of microbial drug-resistance
Hajime Hashimoto 1) , Somay Yamagata Murayama 2)
1)

Department of Microbiology, School of Medicine, Gunma University

2)

Laboratory of Molecular Cell Biology, School of Pharmacy, Nihon University

Resistant-bacteria emerge when the concentration of drug in the blood is kept for a long time among the MSW(Mutant Selection Window, between MIC of sensitive and resistant bacteria). Antibiotic resistance can be a resultof a point mutation in the endogenous pathogen genome, or of horizontal transfer of exogenous genes by transformation, transduction, or conjugation. It has been suggested that the origin of these exogenous genes are selfdefense mechanism in antibiotic-producing organisms, such as actinomycetes. The low concentration of most antibiotics, like other small molecules, was found to regulate the expression of many genes. The original role of antibiotics might be not only intercellular communication but also an important factor for intracellular regulation. Acquisition of drug-resistance by pathogenic bacteria may reflect the general mode of genome evolution to adapt itself for various environmental changes.

日本臨床微生物学雑誌 Vol. 23

No. 1

2013. 11