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細菌ゲノムのダイナミックス

　細菌ゲノム解読から、ゲノムの組成と構築の著しい流動性が明らかになってきた。病原性や薬剤耐性を担う動く遺伝子たちが、ゲノムに入り込み、それを再編し、崩壊していく。遺伝子たちの集まりはゲノムと生命という社会秩序を維持するが、時にドラスティックな変化（進化）を経験し、病原細菌を成立させる。私たちは、これらの過程の分子機構と生物学的医学的意義を、ゲノムDNA自身に注目して研究している。
　アプローチは、分子遺伝学、分子生物学、ゲノム情報科学、生化学、構造生物学、数理生物学にわたる。

発ガン細菌：ピロリ菌ゲノム比較

　同じ種など近縁のゲノム配列複数を比較することによって、ゲノムがどう変わってきたか、それによって病原性等がどう成立してきたかを推定できる。 ヒトの半ばが幼年期から胃に住み着かせているピロリ菌Helicobacter pylori (図1)は、炎症・潰瘍だけでなく、数十年の体内進化を経て、ついには胃ガンを引き起こす。 ピロリ菌は出アフリカ以来ヒトと共進化し地域的分化を遂げた。日本で胃ガンが多いことは、東アジア株の遺伝子型に関連する。私たちは、日本株複数ゲノムを解読し、 他のゲノムと詳細に比較し、進化過程を解明している。このような理解は、「細菌進化予測」（＝「病態進化予測」）に、さらには「ゲノム進化工学」に繋がる。

超利己的な動く遺伝子：制限修飾系

　細菌間の遺伝子の動きの制御に重要なのが、制限修飾系である。制限酵素は、その認識配列をメチル化し制限酵素切断から保護する修飾酵素と対をなし、制限修飾系を作る。それらは、「侵入DNAを切断することによって細胞を感染から守る道具」と考えられてきた。私達は、制限修飾遺伝子が自らの居る細菌のゲノムをも時に攻撃するウイルス・ゲノムのような「利己的な動く遺伝子」である証拠を得て、それらのバイオロジー（生き物としての研究）という分野を開拓してきた(図2)。
　その結果、新しいタンパク基本立体構造「ハーフ・パイプ」を発見した(図3)。認識配列からDNAをたぐり寄せるタイプの制限酵素については、停止したDNA複製フォークを切断する証拠を得た。

細菌のプログラム死と再生

　制限酵素攻撃によって、あるいは自然にできる、ゲノムDNA 二重鎖切断は、細菌自身が備えた自殺プログラムのスイッチを入れることが、トランスクリプトーム解析から示唆された。これは、抗生物質による細菌の死で働くものと共通のプログラムらしい。
　さらに、DNA損傷修復＝再生のプログラムも働く。大腸菌のRecBCD DNA 分解組換え酵素系は、ゲノムにとっての「非自己」DNA を破壊し、ゲノムID 配列を持つ「自己」DNA を存続させ、ゲノム社会の秩序を維持する。
　「個体」＝「細胞」である単細胞微生物のプログラム死と再生の理解は、感染制御だけでなく、より普遍的に個体の死と生の理解に繋がる。

T. Naito, K. Kusano, I. Kobayashi. Selfish Behavior of Restriction-Modification Systems. Science 267, 897-899 (1995). [PubMed] [Journal]

Takeshi Tsuru, Ichizo Kobayashi. Multiple genome comparison within a bacterial species reveals a unit of evolution spanning two adjacent genes in a tandem paralog cluster. Molecular biology and evolution, 25: 2457-2473 (2008). [PubMed][Journal]

Koji Yahara, Masaki Fukuyo, Akira Sasaki and Ichizo Kobayashi. Evolutionary maintenance of selfish homing endonuclease genes in the absence of horizontal transfer. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 106: 18861-18866 (2009). [PubMed][Journal]

Ikuo Uchiyama, Toshio Higuchi, Ichizo Kobayashi, CGAT: a comparative genome analysis tool for visualizing alignments in the analysis of complex evolutionary changes between closely related genomes. BMC Bioinformatics, 7: 472 (2006). [PubMed] [Journal]

Ken Ishikawa, Naofumi Handa, Ichizo Kobayashi. Cleavage of a model DNA replication fork by a Type I restriction endonuclease, Nucleic Acids Research, 37(11):3531-3544 (2009). [PubMed][Journal]

I. Kobayashi. Behavior of restriction-modification systems as selfish mobile elements and their impact on genome evolution. Nucleic Acids Research, 29: 3742-3756 (2001). [PubMed] [Journal]

N. Handa, Y. Nakayama, M. Sadykov and I. Kobayashi. Experimental genome evolution: large-scale genome rearrangements associated with resistance to replacement of a chromosomal restriction-modification gene complex. Mol. Microbiol. 40, 932-940 (2001). [PubMed] [Journal]

Y. Nakayama and I. Kobayashi. Restriction-modification gene complexes as selfish gene entities: Roles of a regulatory system in their establishment, maintenance, and apoptotic mutual exclusion. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 95, 6442-6447 (1998). [PubMed] [Journal]

K. Kusano, T. Naito, N. Handa, I. Kobayashi. Restriction-modification systems as genomic parasites in competition for specific sequences. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 11095-11099 (1995). [PubMed] [Journal]

M. Sadykov, Y. Asami, , H. Niki, N. Handa, M. Itaya, M. Tanokura, I. Kobayashi, Multiplication of a restriction modification gene complex. Mol. Microbiol., 48: 417-427 (2003). [PubMed] [Journal]

Ken-ichi Miyazono*, Miki Watanabe*, Jan Kosinski, Ken Ishikawa, Masayuki Kamo, Tatsuya Sawasaki, Koji Nagata, Janusz M. Bujnicki, Yaeta Endo, Masaru Tanokura, Ichizo Kobayashi. Novel protein fold discovered in the PabI family of restriction enzymes. Nucleic Acids Research, 35: 1908-1918 (2007). (*: Equal contribution)[PubMed] [Journal]

Yoko Asakura, Ichizo Kobayashi. From Damaged Genome to Cell Surface: Transcriptome Changes during Bacterial Cell Death Triggered by Loss of a Restriction-modification Gene Complex, Nucleic Acids Research, 37(9):3021-31 (2009). [PubMed][Journal]

Naofumi Handa, Katsumi Morimatsu, Susan T. Lovett, and Stephen C. Kowalczykowski. Reconstitution of Initial Steps of Double-strand DNA Break Repair by the RecF pathway of E. coli. Genes and Development, 23: 1234-1245 (2009). [PubMed][Journal]