【研究領域課題番号】22K19342 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

共生 / 遺伝子水平伝播 / 原生生物 / ゲノム / 昆虫

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2022-06-30 - 2025-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】21K15065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

腸内細菌 / ゲノム / 進化 / 寿命 / ゲノム進化 / 共生 / 食事

【研究成果の概要】

本申請は、腸内細菌が宿主由来の環境圧の下でどのよう にゲノム変異してきたのか、をテーマにし、培養した複数細菌株を無菌マウスに植え、食事条件を変えたグループでトラックする計画を立てている。本年は、2021年4月以降に発表された既報告(Yilmaz et al. Cell Host & Microbe, 2021)を考慮し、無菌動物実験のための細菌培養を継続しつつ、より現実の腸内細菌叢に近いSPFマウスを用いた実験もスタートした。
SPFマウスの長期飼育下での糞便サンプルから、>50検体のショットガンメタゲノムデータと、6検体のロングメタゲノムデータを取得した。得られたロングリードメタゲノムデータからは、同一個体の異なる時期において、同一種の菌のゲノム構造が大きく異なっている可能性が示唆された。また、ショットガンメタゲノムデータをマッピングした結果から、一生の異なる時期において、特定の種/株の増殖速度が大きく変化している可能性が示唆された。
培養実験では、今までに、1000以上のコロニーを単離し、その中から、一生にわたって定着するライフコア細菌を確認した。これらの細菌は、ゲノム解析を行う他、無菌マウスに移植する実験に供与される予定である。
また、無菌動物実験施設利用のための各種手続きと、予備実験として、高脂肪食や高繊維等を用いた食事のintervention実験を行い、腸内細菌の変化を確認した。この時に付随して行った行動試験の結果を論文に投稿予定である。
また、SPFマウスの長期飼育化の糞便サンプルの16S解析の結果を論文に投稿準備中である。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究領域課題番号】20H02897 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

共生 / メタゲノミクス / 1細胞ゲノミクス / 腸内微生物 / 1細胞トランスクリプトミクス / 原生生物 / 難培養 / ゲノム / 未培養 / 昆虫

【研究成果の概要】

本研究課題の目的は、未培養原生生物（単細胞真核生物）の1細胞ゲノム解析手法の確立である。環境中には多様な原生生物が生息するが、未培養種も多く、それらの生理・生態は未知である。本研究ではシロアリ腸内原生生物群集を材料とするが、それらはシロアリの餌である木材の分解発酵の主要部分を担うと考えられているものの、純粋培養成功例は無く、詳細な機能は不明である。ゲノム解析を行うにしても、原生生物細胞ごとに系統が異なる可能性が高いため、単一細胞からのゲノムと（ゲノム解析補助のための）網羅的転写産物を同時に解析する必要がある。その技術的困難により、原生生物1細胞からの高完成度な新規ゲノム解読例は無く、1細胞転写産物解析も容易ではない。
2020年度（2021年度繰越含む）には、シロアリ原生生物種1細胞を物理的に単離し、同一細胞からの核DNAの全ゲノム増幅と細胞質中mRNAの逆転写及びcDNAのPCR増幅を行い、ゲノム配列再構築と遺伝子領域同定を行った。総塩基長は約150 Mb（推定完成度7割）、遺伝子数約2.8万で、100以上の糖質分解酵素遺伝子を含んでいた。これまで未知であったアミノ酸やビタミン類の合成経路なども判明しつつある。現段階で高品質の配列が取得できているが、予想した以上に異種生物の非特異的な核酸混入が見られ、その識別方法が大きな課題である。
また、原生生物には細胞内・表面に特定の細菌種が共生することが多い。これらは非特異的DNA混入とは異なり、必ず混入するものなので、あらかじめそれらのゲノム配列を取得しておくことが望ましい。そこで、同原生生物種の核を除いた部分から全ゲノム増幅を行い、まず細菌16S rRNA配列に基づく群集構造解析を行った。その結果12種類の共生細菌配列を取得した。この情報は、今後のゲノム配列解析の基盤となる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究領域課題番号】20H03235 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サンゴ / 褐虫藻 / 共生 / ゲノム

【研究成果の概要】

サンゴ礁を形成する造礁サンゴは、細胞内の共生藻類、褐虫藻と密接な相利共生関係を築いている。しかし温暖化などの地球規模の環境変動により、サンゴと褐虫藻の共生関係の崩壊、白化現象が頻発しており、世界中でサンゴ礁が減少を続けている。一方でサンゴ礁の基盤となるサンゴ-褐虫藻の共生メカニズムやその成立・維持の分子機構は、未だ多くが謎のままである。本研究はゲノム科学的手法を駆使し、現在進行系の環境変動の影響を受け続けているサンゴと褐虫藻の共生関係が、実際の海の中でどのように成立・維持されているのか、そのゲノム基盤を理解することを目的とする。

褐虫藻との共生を開始する前のミドリイシ属サンゴの幼生に、由来の異なる複数の褐虫藻培養株を感染させ、それぞれの株に対するサンゴの遺伝子発現応答を比較解析することで、本来のサンゴ共生褐虫藻との共生に関わる遺伝子の特定を行った。サンゴ由来の褐虫藻感染時にのみ、代謝系に関わる遺伝子群の発現低下やそれら輸送体の発現上昇が確認された。これらには遺伝子重複により生じた遺伝子がいくつか含まれており、褐虫藻との共生を可能にするサンゴのゲノム基盤の成立には、遺伝子重複が重要であった可能性が示唆された。

18種のミドリイシ科のサンゴのゲノムを解読し、他の公開されているサンゴや刺胞動物との比較ゲノム解析により、現在地球上で最も繁栄している造礁サンゴの一つであるミドリイシ属のゲノムにのみ見られる特徴をいくつか発見した。この中には、褐虫藻との共生への関与が予想される遺伝子もいくつか含まれていた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究分野】構成的システム生物学

【研究領域課題番号】17KT0027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サンゴ / 褐虫藻 / 共生 / ゲノム / 遺伝子

【研究成果の概要】

サンゴは、宿主動物の造礁サンゴと共生している藻類が共生し、あたかも一つの生物、ホロビオントとして生存する。本研究では、サンゴと褐虫藻のゲノム情報を活用し、複雑なサンゴ“ホロビオント”構成原理の解明に挑んだ。サンゴ幼生への褐虫藻培養株の感染実験と網羅的遺伝子発現解析により、共生に関わるサンゴの遺伝子群を特定した。これらの機能推定や進化的背景が明らかになり、多様なサンゴの共生メカニズムの存在が示唆された。

【研究の社会的意義】

異なる褐虫藻感染株をサンゴ幼生へ感染させて、サンゴの遺伝子発現変動を網羅的に解析・比較することで、サンゴと褐虫藻の共生に重要な、サンゴの遺伝子群を特定することができた。これらのいくつかは、特定のサンゴ分類群で遺伝子重複により独自に誕生しており、サンゴの多様な共生メカニズムの存在が示唆された。さらにサンゴから単離された褐虫藻株、褐虫藻との共生様式が異なるサンゴの全ゲノム解読を行い、サンゴと褐虫藻の共生メカニズムをゲノム科学的に多方面から解析する研究基盤を構築した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-07-18 - 2021-03-31

【配分額】13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)

【研究分野】応用微生物学

【研究領域課題番号】26292047 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微生物機能 / 窒素固定 / 水素代謝 / 共生 / シングルセルゲノム / 還元的酢酸生成 / Bacteroidales目細菌 / スピロヘータ / ゲノム / 生態 / 進化 / 微生物 / 生態学 / 分類学 / 微生物ゲノム / 微生物進化 / 生物多様性 / 難培養微生物

【研究成果の概要】

Bacteroidales目細菌において、窒素固定あるいは古細菌の水素代謝に関連する遺伝子をゲノム上に有する細菌種を見出し、培養株で活性を検出した。シロアリ腸内の窒素固定と水素利用還元的酢酸生成に働く細菌として、セルロース分解性原生生物の細胞内共生スピロヘータを同定した。この細胞内共生細菌と原生生物の細胞表層に共生するBacteroidales目細菌２種について、シングルセルゲノム解析で機能と共生機構の解明を行なった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)

【研究分野】生態・環境

【研究領域課題番号】26650158 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

共生 / 腸内細菌 / 昆虫 / シロアリ / ウイルス / ファージ / ゲノム / メタゲノム / CRISPR / 害虫 / ゲノミクス / 群集構造 / 難培養微生物

【研究成果の概要】

シロアリは枯死材のみを餌とする昆虫で、地球の物質循環において重要な役割を果たすと同時に、人間にとっては木材の大害虫でもある。その高効率な木質消化能力の大部分は、腸内に共生する微生物群集によるものである。本研究では、その腸内共生細菌叢を攻撃する可能性があるバクテリオファージ群集のゲノム解析を初めて行い、その群集構造とファージが感染する腸内細菌種の同定に、一部成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】生態・環境

【研究領域課題番号】18687002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

難培養 / 微生物 / 細菌 / 共生 / ゲノム / シロアリ / 昆虫 / バイオマス / 腸内細菌 / 原生生物 / 環境 / セルロース

【研究成果の概要】

地球上の99%以上の微生物種は培養法が不明であり、その生理・生態はほとんど未知である。本研究では、シロアリ腸内に共生する培養不能細菌の1種の少数細胞から、DNA合成酵素を使用することで全遺伝子情報を1千万倍に増幅して完全解読する手法の確立を試み、世界で初めて成功した。これにより、これまで詳細が不明であったシロアリと腸内原生生物、腸内細菌の複雑な3者共生機構を世界で初めて明らかにした。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)