Qシステム（英:Q-system、別名:QF/QUAS）は、生きた生物において導入遺伝子を発現させることを可能にする遺伝学的ツールである。元々Qシステムは、キイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）で使用するために開発され、その後培養された哺乳類細胞、ゼブラフィッシュ、線虫（Caenorhabditis elegans）、およびハマダラカ（Anopheles gambiae）での使用に急速に適応された。Qシステムは、アカパンカビ（Neurospora crassa）のqaクラスターの遺伝子を利用しており、転写活性化因子（QF/QF2/QF2w）、エンハンサーであるQUAS、リプレッサーであるQS、そして化学的脱抑制因子であるキナ酸の4つの要素から構成されている。GAL4/UASシステムおよびLexA/LexAopと同様に、Qシステムは特定の細胞集団においてレポーターやエフェクター（例：蛍光タンパク質、イオンチャネル、毒素、その他の遺伝子など）を発現させ、それらの細胞を可視化したり機能を変化させたりすることを目的とした二成分発現システムである。さらに、GAL4/UAS、LexA/LexAop、およびQシステムは互いに独立して機能するため、これらを同時に使用して望ましいレポーター発現パターンを達成したり、異なる細胞サブセットで複数のレポーターを発現させたりすることができる。

起源 サムネイル|抑制可能なQ二成分発現システム Qシステムは、アカパンカビのqa遺伝子クラスターにある7つの遺伝子のうちの2つに基づいている。qaクラスターの遺伝子は、低グルコース条件下で真菌が炭素源として利用するキナ酸の異化に関与している。このクラスターには、転写活性化因子qa-1F、転写リプレッサーqa-1S、および5つの構造遺伝子が含まれている。qa-1Fは、qa遺伝子の上流にある特異的なDNA配列に結合する。キナ酸が存在すると、qa-1Fとqa-1Sの間の相互作用が阻害され、その結果qa-1Fの転写活性の抑制が解除される。 遺伝子qa-1F、qa-1S、およびqa-1FのDNA結合配列が、Qシステムの基礎を形成している。これらの遺伝子は使用を簡素化するために次のように改名された。すなわち、転写活性化因子qa-1FはQFに、リプレッサーqa-1SはQSに、そしてDNA結合配列はQUASとされた。キナ酸はQシステムの第4の構成要素である。 オリジナルのトランスアクチベーターであるQFは、ショウジョウバエで広範に発現させると毒性を示すことが判明した。この問題を克服するために、QF2とQF2wという2つの新しいトランスアクチベーターが開発された。

ショウジョウバエでの使用

基本的な使用 Qシステムは、GAL4/UASシステムやLexA/LexAopシステムと同様に、かつそれらから独立して機能する。QF、QF2、およびQF2wはGAL4やLexAに類似しており、それらの発現は通常、nsyb（神経細胞を標的とする）やtubulin（すべての細胞を標的とする）のような細胞型特異的プロモーターの制御下にある。QUASはUASやLexAopに類似しており、GFPなどのエフェクター遺伝子の上流に配置される。QSはGAL80に類似しており、任意のプロモーター（例：tubulin-QS）によって駆動させることができる。キナ酸はQシステムの特徴的な要素であり、QSによる抑制を解除するためには、ハエや蛆にキナ酸を摂食させる必要がある。ある意味で、キナ酸はGAL80tsにおける温度のアナロジーである。 基本的な形態では、QF導入遺伝子を持つトランスジェニックハエの系統と、QUAS導入遺伝子を持つ系統の2つを交配させる。QFとQUASの両方の導入遺伝子を持つ子孫は、細胞のサブセットでレポーター遺伝子を発現する（例：nsyb-QF2, QUAS-GFPのハエはすべての神経細胞でGFPを発現する）。もしハエが一部の細胞でQSも発現している場合、それらの細胞ではQFの活性が抑制されるが、ハエにキナ酸を与えれば活性は回復する（例：nsyb-QF2, QUAS-GFP, tub-QSのハエは、餌にキナ酸が含まれていない場合はGFPを発現しないが、キナ酸を与えられると神経細胞でGFPを発現する）。QSリプレッサーとキナ酸を使用することで、導入遺伝子発現の時間的制御を微調整することが可能となる。

キメラトランスアクチベーター キメラトランスアクチベーターであるGAL4QFとLexAQFは、3つの二成分発現システムすべてを組み合わせて使用することを可能にする。GAL4QFはUASに結合し、GAL80の影響を受けない一方で、QSによって抑制されることができる。同様に、LexAQFはLexAopに結合し、QSによって抑制されることができる。LexAQFは、独自のリプレッサーを持たないLexA/LexAopシステムの有用な拡張となっている。

交差発現 サムネイル|GAL4およびQF二成分発現システムを用いて可能な交差発現パターン 3つの二成分発現システムとFLP/FRTなどの組換え酵素を組み合わせることで、様々な発現パターンを実現することができる。発現パターンはAND、OR、NORなどの論理回路として構築することができ、例えば利用可能なGAL4系統の発現パターンを絞り込むことなどが可能である。結果として得られる発現パターンは、転写因子の活性化の発生タイミングにある程度依存する。

他の生物での使用 Qシステムは様々な生物で正常に機能することが示されている。原理証明として、培養された哺乳類細胞におけるルシフェラーゼの発現を駆動するために使用された。ゼブラフィッシュでは、Qシステムはいくつかの組織特異的プロモーターで成功裏に使用されており、同じ細胞で発現させた場合でもGAL4/UASシステムとは独立して機能することが示された。線虫では、Qシステムは筋肉および神経組織で機能することが示されている。2016年には、Qシステムを用いて初めてマラリア媒介蚊であるハマダラカの嗅覚神経細胞が標的とされた。2019年、ハマダラカにおけるQシステムは、匂いに対する嗅覚神経細胞の機能的応答を調べるために使用された。2019年、組織特異的な発現パターンを捉えるためにQシステムがネッタイシマカ（Aedes aegypti）に導入された。これらの成功により、Qシステムは他の生物のための遺伝学的ツールを開発する際の選択肢となるシステムとなっている。現在、Qシステムの主な欠点は利用可能なトランスジェニック系統の数が少ないことであるが、GAL4>QF2 HACKシステムを使用して既存のGAL4トランスジェニック挿入をQF2に変換するなど、科学コミュニティがこれらのリソースを作成し共有することで克服されるだろう。VP16転写活性化因子ドメインと融合したQF2のDNA結合ドメインは、ペニシリンを産生する二次代謝遺伝子クラスターをスケーラブルな方法で制御するために、アオカビ（Penicillium）に成功裏に適用された。

脚注