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日本人腸内細菌・ウイルス叢ゲノムをデータベース化、病気や食生活との関連解明-阪大

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2022年12月02日 AM11:56

既存データベースの腸内細菌ゲノム、日本人集団に由来するものは少ない

大阪大学は12月1日、787人の腸内微生物叢シークエンス情報から、細菌・ウイルスのゲノム配列を再構築してデータベース化し、開発したデータベースと既存のデータベースとの統合解析により、日本人集団の腸内細菌の特徴、および海外を含めた食事・病気・人種集団と腸内微生物との関係を明らかにしたと発表した。この研究は、同大大学院医学系研究科の友藤嘉彦博士課程学生、岡田随象教授(兼 理化学研究所生命医科学研究センター システム遺伝学チーム/東京大学大学院医学系研究科遺伝情報学)らの研究グループによるもの。研究成果は、「Cell Genomics」にオンライン掲載されている。


画像はリリースより
(詳細は▼関連リンクからご確認ください)

我々の腸内には、細菌やウイルスなど、数多くの微生物が存在し、腸内微生物叢を構成している。腸内微生物叢は免疫反応や代謝応答を介して我々の体に大きな影響を与えており、多くの病気との関連が既に示されている。それゆえに、腸内微生物叢を対象とした医学・生物学研究がこれまでに数多く行われてきた。腸内微生物研究において、個々の微生物のゲノム情報は必要不可欠な研究資源である。古くから、微生物を単離・培養し、そのゲノムをシークエンスすることで、個々の微生物のゲノム情報を得てきた。しかし、この方法には、手間や時間がかかる上に、培養が難しい細菌やウイルスなどに適用しにくいという問題があった。そこで、近年、単離・培養を行わずに、腸内微生物叢全体のシークエンス情報から、個々の微生物のゲノム情報(metagenome assembled genome: MAG)が再構築されるようになってきた。

世界各国で、細菌ゲノムの再構築・カタログ化が行われ、既存のデータベースには多種多様な腸内細菌ゲノムが登録されるようになった。一方で、多くの既存データベースに含まれる細菌ゲノムの大半は欧米人集団や中国人集団に由来するものであり、日本人集団に由来するものは殆ど含まれていなかった。また、先行研究の多くは、腸内細菌のみを対象としており、腸内ウイルス、特に細菌に感染するウイルスであるバクテリオファージのゲノム情報については、殆ど含まれていなかった。

日本人集団の腸内微生物叢情報からデータベース化、日本食に関連した細菌・遺伝子が「多」

今回、研究グループでは、日本人集団787人の腸内微生物叢シークエンス情報に対して、独自に開発した腸内微生物ゲノム再構築パイプラインを適用し、1万9,084の細菌ゲノムと3万1,395のウイルスゲノムをそれぞれJapanese Metagenome Assembled Genomes()とJapanese Virus Database()としてデータベース化した。そして、JMAGとJVDを用いて、腸内微生物と食事・病気・人種集団との関連を評価した。

研究グループは、JMAGと海外の細菌ゲノムデータベースとの比較解析を行い、日本人集団の腸内に特異的な細菌・遺伝子を探索した。その結果、JMAG中には納豆菌のゲノムが多く含まれていた。また、海苔に含まれる炭水化物を分解する酵素であるβ-porphyranaseもJMAG中に特に多く含まれていた。つまり、JMAG中には日本食に関連した細菌・遺伝子が多く含まれていた。

日本人集団の食生活には、ヒトゲノムの多様性、特にお酒を飲めるかどうかを規定する遺伝子多型としても知られるrs671が関連することが知られている。岡田教授らは、rs671と乳製品消費量との関連を過去に報告していた。今回の研究では、rs671と乳製品に関連する腸内細菌2種(Enterococcus_B、Streptococcus thermophilus)との関連が明らかになった。このことから、ヒトゲノムの多様性が食生活への影響を介して、腸内細菌に影響を与えている可能性が示唆された。

crAss-like phageが腸内細菌の多様性と正の相関、疾患との関連も

研究グループは、JVDと複数の既存データベースとを統合し、ウイルスの系統分類を行った。その結果、JVDに含まれる種のうち半分以上は既存データベースに含まれていない種であることがわかった。次に、研究グループは、ウイルスゲノムの中でも、特にcrAss-like phageというバクテリオファージに着目した。crAss-like phageは2014年と比較的最近に発見されたウイルスの科で、ヒトの腸内に多く存在することから、今世界中で着目されている。研究グループは、crAss-like phageを亜科レベルまで分類した上で、地域ごとの腸内における組成の違いを調べた。その結果、β crAss-like phageは日本をはじめとしたアジア諸国や欧米諸国では少ない一方で、アフリカ諸国やオセアニア諸国では多いということがわかった。さらに、crAss-like phageとさまざまな病気との関連を調べたところ、関節リウマチ、全身性エリテマトーデス、炎症性腸疾患では複数亜科のcrAss-like phageが減少していることがわかった。興味深いことに、crAss-like phageは、腸内細菌の多様性と正の相関を持っていた。腸内細菌の多様性の低下は、腸内細菌叢の破綻(ディスバイオシス)においてみられる主要な変化の一つである。このことから、crAss-like phageが腸内細菌叢の健康さの指標になりうる可能性が示唆された。

最後に、研究グループはCRISPRを利用した解析によって、JVD中のウイルスがJMAG中のどの細菌に感染しているのかを網羅的に探索した。その結果、crAss-like phageがBacteroidota門やFirmicutes門に属するさまざまな細菌に感染していることがわかった。

今回の研究成果によって、食事・病気・人種集団と腸内微生物叢との関連が新たに見出された。今回食事・病気・人種集団との関連が見出された微生物については、今後、動物実験などのさらなる検証を進めることで、病気の治療標的やプロバイオティクスとしての利用が可能になると期待される。「本研究で構築された微生物ゲノムデータベース(JMAG・JVD)は公開されており、研究者が自由に利用することができる。JMAGやJVDは、日本人集団の腸内細菌・ウイルス叢の多様性を考慮した解析を実施可能にすると考えられ、今後、腸内微生物研究を行なっていく上で、重要な研究資源になっていくと期待されている」と、研究グループは述べている。

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