プラスミド
遺伝子治療の手法の1つとして、細胞から欠落しているタンパク質を発現するために、プラスミドを用いて人為的に細胞に遺伝子を導入する手法が考えられている。例えば、遺伝子治療の一部では、プラスミドベクターを用いでヒトゲノム内の特定の染色体標的部位に治療遺伝子を挿入することが考えられる。ジンクフィンガーヌクレアーゼ(ZFN)は、DNAゲノムに部位特異的な二本鎖切断を引き起こし、相同組換えを引き起こす。そのため、ZFNをコードするプラスミドを利用することで、細胞の損傷や突然変異による癌の発生や免疫応答を回避しながら、特定の部位に治療遺伝子を送達することができると考えられている。
プラスミドは、最も一般的に使用される細菌のクローニングベクターである。これらのクローニングベクターは、DNAフラグメントを挿入できる部位(例えば DNA断片をライゲーションすることができるように設計された、複数の制限サイトを有するマルチクローニングサイトやポリリンカー)を含む。目的の遺伝子が挿入された後、プラスミドは形質転換と呼ばれるプロセスによって細菌に導入される。これらのプラスミドには、選択可能なマーカーとして通常は抗生物質耐性遺伝が含まれており、特定の抗生物質を含む選択的増殖培地で生存および増殖する能力を細菌に付与する。形質転換後の細胞は選択培地に曝露され、プラスミドを含む細胞のみが生存することができる。このように、抗生物質はプラスミドDNAを含む細菌のみを選択するためのフィルターとして機能する。ベクターはまた、クローン化された挿入配列を有するプラスミドを用意に選択できるようにするために、他のマーカー遺伝子またはレポーター遺伝子を含むことがある。次に、プラスミドを含む細菌を大量に増殖させて回収し、その後、プラスミド調製によって目的のプラスミドを単離することができる。
プラスミドクローニングベクターは通常、最大15kbp程度のDNAフラグメントをクローニングするために使用される。より長いDNAをクローン化するには、溶原性遺伝子が削除されたラムダファージ、コスミド、細菌人工染色体(BAC)、または酵母人工染色体(YAC)が使用される。
長年にわたり、様々なプラスミドが作成されてきており、非営利団体であるLMBPなどのプラスミドデータベースにおいてプラスミドの情報が配布されている。そして、それらのデータベースからプラスミドを見つけ、取り寄せることも可能である。また、プラスミド配列はNCBIデータベースにアップロードされることも多く、そこから特定のプラスミドの配列を取得することもできる。
人工的に構築されたプラスミドは、遺伝子工学におけるベクターとして使用することができる。これらのプラスミドは、特定の遺伝子のクローン化と増幅(多くのコピーを作成)、または遺伝子発現のために、遺伝学およびバイオテクノロジー分野の実験において一般的に使用される重要なツールである。この用途のために、多種多様なベクターが市販されている。複製される遺伝子は通常、それらを使用するために有用な様々な機能がベクターに挿入されている。例えば、特定の抗生物質に対する抵抗(アンピシリン耐性遺伝子など)、プラスミドDNAの複製を可能にする複製起点、クローニングするのに適したクローニングサイトと呼ばれる部位などが挙げられる。
DNAの構造的不安定性は、遺伝物質の予期しない再配列、喪失、または獲得につながる一連の自発的な事象として定義することができる。このようなイベントは、可動要素の転置、または非標準(非B)構造などの不安定な要素の存在によって頻繁にトリガーされる。細菌の骨格に関連する付属領域は、広範囲の構造的不安定性現象に関与している可能性がある。遺伝的不安定性のよく知られた触媒には、直接、逆方向、およびタンデムリピートが含まれ、これらは、多数の市販のクローニングおよび発現ベクターで顕著であることが知られている 。挿入配列はまた、隣接する遺伝子発現の欠失や再配列、活性化、ダウンレギュレーションまたは不活性化などの副作用をもたらすことにより、プラスミドの機能や収量に深刻な影響を与える可能性がある。したがって、実験の目的に無関係な非コード骨格配列を部分的または完全に削ったりすることで、そのような事象が起こる傾向を減少させプラスミドの全体的な組換えの可能性を減少させることができる。
プラスミドの主な用途の1つとして、タンパク質の大量生産が挙げられる。この場合、研究者は目的の遺伝子を含むプラスミドを含むバクテリアを増殖させ、挿入遺伝子から大量のタンパク質が生成されるように誘導をかける。これは、たとえばインスリンや有用な酵素などを医療・産業の用途で大量生産するための安価で簡単な方法である。