細菌の同定に16srRNAが使用されるのはなぜですか

バクテリアは地球上で最も遍在する生命体です。バクテリアのバイオマスは、植物や動物のバイオマスを上回っています。それらの豊富さのために、ほとんどの細菌種はこれまでに同定されていません。細菌の伝統的な識別は、表現型の特徴に基づいており、遺伝子型の方法としては正確ではありません。 16S rRNA配列の比較は、属レベルの細菌を同定するための最も好ましい遺伝子型の方法として浮上しています。 16SrRNAをとして使用する理由はいくつかあります。 ハウスキーピング遺伝子メーカー、これについてはさらに詳しく説明します。

対象となる主要分野

1. 16SrRNAとは –定義、構造、役割 2.細菌の同定に16SrRNAが使用されるのはなぜですか –はじめに、理由、方法 3.微生物学における16SrRNAのアプリケーションは何ですか –アプリケーション

重要な用語：細菌、分類、遺伝子配列、同定、リボソーム、16S rRNA

16SrRNAとは

16S rRNAは、原核生物のリボソームの小サブユニットの構成要素です。原核生物リボソームの2つのサブユニットは、50Sの大きなサブユニットと30Sの小さなサブユニットです。それらは70Sリボソームを形成します。小サブユニットは、21個のタンパク質に結合した16SrRNAで構成されています。 16SrRNAは1540ヌクレオチドで構成されています。 16SrRNAの二次構造を図1に示します。

図1：16S rRNA

16SrRNAの3 '末端には、開始コドンAUGの上流に結合する抗シャインダルガルノ配列が含まれています。シャイン・ダルガルノ配列は、細菌のmRNAのリボソーム結合部位です。 16S rRNAは細菌の機能に不可欠であるため、16SrRNAをコードする遺伝子は細菌種間で高度に保存されています。 16S rRNAの配列は、細菌の同定と分類に広く使用されています。

細菌の同定に16SrRNAが使用されるのはなぜですか

細菌の伝統的な識別方法は、主に細菌の表現型の特徴に基づいています。ただし、16S rRNA配列の比較は「ゴールドスタンダード」になり、従来の細菌同定方法に取って代わりました。 16S rRNA配列の分析は、表現型が異常な、記述が不十分な、またはほとんど分離されていない株の同定に適しています。また、培養されていない細菌や新規病原体の同定にも適しています。 16S rRNA遺伝子は、細菌ゲノムのrRNAオペロンに存在します。 rRNAオペロンを図2に示します。

図2：rRNAオペロン

16S rRNAは、いくつかの理由から、ハウスキーピング遺伝子マーカーとして使用するのに適しています。それらについて以下に説明します。

16S rRNA遺伝子は、細菌ゲノムに遍在する遺伝子です。 16S rRNA機能は翻訳中の細菌細胞に不可欠であるため、ほとんどすべての細菌ゲノムは16SrRNA遺伝子で構成されています。
16SrRNA遺伝子の配列は高度に保存されています。 16S rRNAの機能はより一般的であるため、16SrRNA遺伝子の配列は高度に保存されています。遺伝子配列の変化は、時間（進化）の尺度と見なすことができます。
16S rRNA遺伝子のサイズ（1、550 bp）は、バイオインフォマティクスの目的には十分です。
16S rRNA遺伝子は、細菌ゲノムでよく研究されている遺伝子です。 16S rRNA遺伝子の機能は細胞にとって不可欠であるため、多くの研究が行われています。

身元

現在までに、16S rRNA遺伝子配列を使用して、8,168を超える細菌種が同定されています。識別プロセスの手順を以下に説明します。

ゲノムDNAの抽出
16SrRNA遺伝子のPCR増幅
増幅された16SrRNA遺伝子のヌクレオチド配列を取得します
配列をデータベース内の既存のヌクレオチド配列と比較します

16S rRNA配列は、約1,550塩基対の長さで、可変領域と保存領域の両方で構成されています。遺伝子の保存領域に相補的なユニバーサルプライマーは、PCRによる遺伝子の可変領域の増幅に使用できます。一般的に、遺伝子の先頭から540塩基対の領域または遺伝子全体がPCRによって増幅されます。 PCRフラグメントの配列が決定され、その配列が16S rRNA遺伝子の既存のヌクレオチド配列と比較されて、事前に分離された細菌種が特定されます。ヌクレオチド配列の最大のリポジトリであるGenBankには、9万の異なる16SrRNA遺伝子の2000万を超える配列があります。細菌種が新規である場合、その配列はデータベース内のどの16SrRNA配列とも一致しません。

分類

16S rRNA遺伝子配列はほとんどすべての細菌種に見られるため、異なる16S rRNA遺伝子配列の比較を使用して、種および亜種レベルまで細菌を区別することができます。同様の細菌種は、16SrRNA遺伝子の同様の配列を持っている可能性があります。 16SrRNA遺伝子配列を比較して構築された細菌の系統樹を図3に示します。

図3：16SrRNA配列比較に基づいて構築された系統樹

微生物学における16SrRNAのアプリケーションは何ですか

微生物学における16SrRNAのアプリケーションを以下に示します。

16S rRNA遺伝子シーケンシングは、細菌種の同定と分類学的分類の「ゴールドスタンダード」として使用されます。
16S rRNA配列の比較は、新規病原体の認識に使用できます。
16S rRNAシーケンスは、医療微生物学における細菌同定の表現型手法の迅速で安価な代替手段として使用できます。

結論

16S rRNAは、翻訳中に細菌のmRNAがリボソームに結合する部位を提供するため、細菌の機能に不可欠です。 16SrRNAの機能は細胞にとって不可欠であるため、その遺伝子配列はほとんどすべての細菌細胞に存在します。さらに、その配列は高度に保存されています。ただし、16S rRNA配列も可変領域で構成されているため、細菌種の識別が可能です。さらに、細菌種は16SrRNAの遺伝子配列に基づいて分類できます。

リファレンス：

1.ジャンダ、J。マイケル、シャロンL.アボット。「診断ラボでの細菌同定のための16SrRNA遺伝子シーケンシング：プラス、危険、および落とし穴。」 Journal of Clinical Microbiology、American Society for Microbiology、2007年9月、こちらから入手できます。 2. Clarridge、JillE。「臨床微生物学および感染症に対する細菌の同定のための16SrRNA遺伝子配列分析の影響」。 Clinical Microbiology Reviews、American Society for Microbiology、2004年10月、こちらから入手できます。

画像提供：

1. Squidoniusによる「16S」– Commons Wikimediaによる自作（パブリックドメイン）2。CommonsWikimediaによる「AmitYadavPhytoplasma rRNAオペロン」（CC BY-SA 3.0）3。「細菌間のモリクテス綱の系統発生的位置」大島健郎著前島健作と難波重藤–フロント。 Microbiol。、2013年8月14日/ doi：10.3389 / fmicb.2013.00230（CC BY 3.0）コモンズウィキメディア経由