生産と技術

第62巻第３号（2010）

新世代のファージ研究
米 崎 哲 朗＊，大 塚 裕 一＊＊

研究ノート

Phage research in a new generation
Key Words：phage therapy, gene evolution,
lateral transfer of genes, T4 phage
るエンドトキシンによる副作用、など欠陥があまり

1．はじめに細菌に感染するウィルスであるバクテリオファーにも多く、肯定・否定いずれも結論を下せるようなジ（ファージ）の研究は、デレルが赤痢菌感染患者ものではなかった。また、製薬会社などの誇大宣伝を自然治癒させる作用をもった赤痢菌ファージを発も信頼をそこねる一因となった。一方、1928 年に見したことから、感染症治療のために原因細菌をフフレミングのペニシリン発見が発端となって 1940

ァージで殺すことを目的として開始した（第１世代：

年代に抗生物質が市販されるようになるとファージ

1917 〜 1940 年頃）。

療法は忘れ去られるようになった。抗生物質による第１世代の研究 1) では、当初ファージ療法の輝か治療では当初から耐性菌の出現が問題視されていた

しい将来が予言されたものの、宿主特異性（第 2 項が、次々と新薬を開発することによりこの問題を克で詳述）等ファージに関する基礎知識もなく、ファ服してきた。その結果、1969 年に米国公衆衛生局ージの純度や濃度に対する認識も不十分なままに使長官が「細菌との戦いは終了した」と宣言するほど用したため、効果は大きくばらついた。なによりも、絶大な効果を発揮した。

1939 年にルスカが電子顕微鏡によって実体を明らしかし、2000 年以降になると耐性菌の出現を新かにするまでファージの正体は不明であったため、しい抗生物質の開発によって対抗する手段は限界にウィルスという前提を欠いた実験であったり、対照きたと認識されるようになってきた。夢の抗生物質

実験の不備、不純な慓品であったために混入していと呼ばれた vancomycin でさえ耐性となったブドウ球菌、腸球菌、肺炎桿菌、緑膿菌、などが猛威をふ＊Tetsuro YONESAKI

1950年9月生大阪大学大学院・理学研究科・生物科学専攻（1978年）
現在、大阪大学大学院・理学研究科・生物科学専攻 教授 理学博士 分子遺伝学
TEL：06-6850-5813
FAX：06-6850-6769
E-mail：yonesaki@bio.sci.osaka-u.ac.jp

るい始めたからである。これらの耐性病原菌が深刻なのは、同時に多くの抗生物質に耐性すなわち多剤耐性を獲得していることである。しかも、この多剤耐性は種を超えて他の病原菌にも極めて早い速度で伝播されることが明らかとなってきた。これに対して、莫大な費用・労力・時間のかかる新薬の開発は採算があわなくなり、製薬会社も手をこまねくような状態に陥っている。
デルブリュックを中心として分子生物学を誕生さ＊＊Yuichi OTSUKA

1975年3月生
大阪大学大学院・理学研究科・生物科学専攻（2003年）
現在、大阪大学大学院・理学研究科・生物科学専攻 助教 理学博士 分子生物学
TEL：06-6850-5810
FAX：06-6850-6769
E-mail：otsukay@bio.sci.osaka-u.ac.jp

せたファージ研究の第２世代は 1930 年代後半から始まり、DNA が遺伝物質であることの証明、遺伝子の実体論的理解、遺伝暗号の解読、制限酵素の発見、DNA 複製の機構、遺伝子発現の仕組み、蛋白質集合の機構等、生物学の基礎となる輝かしい成果を次々と収めてきた。その後も、現在にいたるまで
T 4 ファージを中心としたファージ研究は止むことなく継続しており、感染の成立と増殖のしくみにお− 55 −

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いて、宿主とファージの相互作用、宿主の防御機構に入るという保証もない。仮に、手に入ったとしてやファージの打破機構、などに関する詳細な知見がも未知といえるファージを人体に用いるためには入蓄積してきた 2)。

念な安全性チェックが要求される。

抗生物質が登場するまでは病気といえば感染症をファージの中で最も良く調べられてきたのは T 4指しており、一旦は克服したかに見えた感染症が多ファージである。T 4 ファージは図１のような構造剤耐性菌の出現により再び人類の脅威となりつつあをとっており、DNA を収納する頭部、それに結合る。また、養殖・畜産・農業における生物の保護、した尾部（尾鞘＋尾部基盤）、尾部基盤に接続した加工食品の生産や管理、等様々な分野においても抗尾線維からなる。感染時には、頭部に収められてい生物質に頼らない細菌対策が求められるようになった DNA 分子は尾部の内部にある管を通って細菌にてきた。そのため、改めてファージ療法に注目が寄注入される。これが子ファージ生産過程の開始となせられるようになってきた。

る。T 4 の DNA は 171 kb であり、約 300 個の遺伝

一方、ファージ研究の第２世代では生物を理解す子をもつが、ファージの増殖に必須の遺伝子は 60るために普遍的な法則を発見することが主たる研究余りにすぎない。残りの遺伝子は、ファージ増殖効目的であったが、1990 年代から新しい潮流も湧き率を高めるために貢献しており、そのおかげで大型起こってきた。それは生物多様性の枠組みにおけるのファージであるにも関わらず 30 分で 100 〜 200

ファージの理解であり、主に生態学的／進化学的観個の子ファージを放出するという、他のファージに点に立脚した研究である。以下に、新しい時代のフ類をみないほど高い増殖能を示す。また、これまでァージ研究として、ファージ療法への新しいチャレに発見されている制限酵素等による宿主の防御機構

ンジや地球生態に重要な位置を占めるファージの研を T 4 ファージはことごとく無力化する仕組みをも究を紹介する。っている。このような優れた性質から、T 4 ファージはファージ療法には最適なツールとなり得ると考

2．ファージ療法への新しいチャレンジえられるが、それを阻むのが宿主特異性である。

現代におけるファージ療法は、抗生物質に代わる治療薬として貢献できる医学のみならず、味覚を落とす高熱殺菌に代わる腐敗菌増殖防止法として、あるいは養殖魚や植物の感染症治療など産業界での貢献も期待されている。抗生物質は目的細菌以外に、人にとって有用な常在細菌も殺してしまう可能性がある。抗生物質に比べて、ファージ療法は標的細菌のみに感染するため患者への副作用や環境破壊の効果が低いという利点をもつ。また比較的安価に調製できることも利点である。しかし、応用研究への試みは、新たに解決されなければならない問題を提示することになった。バクテリアはファージに対する様々な防御機構を備えているため、その防御機構を破って増殖できるファージは限定される。また、フ図１T 4 ファージの構造（文献 3 より改変）

ァージが増殖するためには特有の宿主との特異的な生物学的相互作用が必須であることから、応用に有細菌表層に存在し、ファージ吸着のリセプターと効なファージを得るのは簡単ではない。現状では、なる分子は、膜蛋白質あるいは L P S（リン脂質と天然から得られるファージを手当たり次第に試して多糖類の高分子複合体）である。細菌とファージのみるしかないのである。偶然にまかせるこのやり方

攻防は 30 億年前から始まったと推測されており、は、多大な時間と労力を要するため非効率といわざ

細菌はファージの感染を免れるためにリセプター分るを得ない。また、結果として有効なファージが手子を頻繁に変異させてきたようである。細菌への吸− 56 −

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着に必須なファージ尾線維の先端（DT、図 1）もらかとなり、その原因としてファージの感染が疑わそのようなリセプター分子に親和性をもつように変れるようになった。自然界に存在するファージ濃度

異を重ねてきた結果、ファージの感染可能な宿主域を測定したところ、想像を超えた莫大な個体数が見は極めて狭い、言い換えれば宿主特異性は極めて高積もられる結果となった（海水圏では 107 〜 108/ml、い。例えば、T 4 ファージは大腸菌 K 12 型や B 型に総数で 1031）。この結果が意味するものは、天文学は感染できるが O 型には感染できない。また、同的数字（地球上で 1025 回 / 秒）で表わされるほどのじ腸内細菌科に属する近縁種の中では志賀赤痢菌の混合感染の機会があること、そのために極めて低頻いくつかの亜株に感染可能であるが、他の亜株や種度でしか起きないが故に他の生き物では現実には起の異なるサルモネラやペスト菌には感染できない。

こりえないと考えられる非相同組換えがファージの宿主域を決定する第一要因は尾線維の先端（DT）ゲノム再編には貢献することである。非相同組換えである。DT は細菌の細胞表層にあるリセプター分は関連性のない塩基配列を繋げることになるため、子と結合することにより感染の第１段階である吸着

ファージの世界では新しい遺伝子の創出が可能となを開始するのである。DT は 1026 アミノ酸から成っている。

る遺伝子 37 蛋白質の C 末側 140 アミノ酸に対応しファージには、宿主を必ず殺して増殖するビルテている。宿主域の異なる T 4 ファージファミリーのントファージとファージとしては増殖せずに DNA

解析から、宿主域の変化は DT のアミノ酸配列の変を宿主の DNA に挿入して共存（溶原化）を図るこ化に由来することが判明しているので、筆者等はことも可能なテンペレートファージが存在する（図３）。の領域をランダムに変異させたライブラリーを作成溶原化したファージ（プロファージ）は何らかのきして T 4 ファージにもたせることを計画している（図っかけがあれば宿主 DNA から飛び出して、ファー２）。様々な変異をもった遺伝子 37 を有する T 4 フジとして増殖する過程に入る（誘発）ことも可能でァージのライブラリーを作成しておき、退治したい

あるが、宿主と共存する時間が長くなるにつれ、突細菌を標的にできる変異型 T 4 ファージをそのライ然変異が蓄積してもはやファージとして増殖する能ブラリーから選び出して治療に用いることができれ力を失い、残された遺伝子は宿主に新しい遺伝子源

ば、天然から探索する手間を省き、なおかつ安全性を供給することになる。

が保証できるツールとなり得ると期待している。

図２

D T のアミノ酸配列を様々に変化させたT 4 ファージライブラリー（便宜上、尾線維は 2 本のみ表示した）

図３

3．地球上最大のバイオマスとしてのファージ、遺伝子水平伝搬役としてのファージ 4)

テンペレートファージの溶原化と溶菌過程（文献 4 より改変）
細菌の染色体に組み込まれたプロファージは多くの遺伝子について発現を停止することによって増殖過程（溶菌過程）には入らず、宿主の分裂に伴って数を増やす。

食物連鎖の最下位に位置する細菌の個体密度を測定すると、栄養、温度、塩濃度などの環境要因から細菌ゲノムに認められる著しい多様化は外来性遺推定される値の 1/100 程度しか存在しないことが明伝子の水平伝播に由来する。溶原化は細菌の病原性− 57 −

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アイランド、共生窒素固定能、難分解化合物分解能溶原化したファージ DNA が占めている。これらのに関わる遺伝子などを水平伝搬する立役者であり、ファージ DNA にはベロ毒素遺伝子など病原性に関細菌の多様化を促進する大きな要因である。例えば、わるものが多数含まれている。ファージ関連の遺伝大腸菌 K 12 株と O157 株のゲノムサイズはそれぞれ子には変異を重ねた結果、異なる機能をコードする

4.6 Mb と 5.5 Mb であり、その内 4.1 Mb の配列につ遺伝子に変化してしまい元の遺伝子が推定しにくくいては高い相同性を示すが、残りはそれぞれの株になったものが多いと考えられている。最近、このよ特異的な配列としてゲノム上の様々な領域に散在しうなケースでも元の遺伝子と対応できる興味深い例ている。 O157 株特異的配列の内 0.9 Mb は 24 個のが報告された 5)。病原菌が毒素等を細胞外に輸送するためには、T1SS 〜 T6SS と呼ばれるタンパク輸送系が使われている。その内、T6SS について図４に示したように、ファージの尾部とそっくりな構造をとっていることから進化上共通な祖先に由来すると考えられている。ファージによる遺伝子の水平伝搬の後、細菌が進化によって新しい機能を獲得したことが推定できる例である。
参考文献
1) トーマス・ホイラー（長野敬・太田英彦 訳）「ファージ療法とは何か」青土社（2008）
2) 皆 川 貞 一 「 T 系 フ ァ ー ジ 」 東 京 大 学 出 版 会(1991)
3) Karam, J.D.(editor-in-chief)

図４of bacteriophage T4

T 4 ファージ尾管と T6SS の構造的類似性（文献 5 より改変）

T 4 ファージの尾部は２重の管となっており、感染時には外側に存在する尾鞘が縮むことにより内側の尾管が露出する。尾管の先端に位置する穿刺複合体が細胞内膜やペプチドグリカン層を突き破る。VgrG と穿刺複合体のアミノ酸配列相同性は 13％と低いものの VgrG の N 末側の立体構造は穿刺複合体のそれと酷似している。また、Hcpの六量体リング構造は穿刺複合体を構成する T 4 の遺伝子27 タンパク質の三量体リング構造と酷似している上に、T 4 とは異なったタイプのファージであるλの尾部構成タンパク質に立体構造が酷似している。さらに、T6SS の構成成分の 2 つは T 4 の尾部基盤や尾管を構成するタンパク質に高いアミノ酸配列相同性を示す。

Molecular biology

American Society forMicrobiology, Washington, D.C.（1994）4) 米崎哲朗「原核生物の遺伝要素：バクテリオフ
ァージ」分子生物学イラストレイティド改訂第3 版、p.83-86、羊土社 (2009)5) Shuji Kanamaru

Structural similarity of tailed

phages and pathogenic bacterial secretion systems
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 4067 − 4068
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