Study of the molecular machinery of host recognition by the Clostridium botulinum type C and D neurotoxin-converting phages

• Project/Area Number: 16K08785
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Bacteriology (including mycology)
• Research Institution: Kitasato University
• Principal Investigator: Sakaguchi Yoshihiko 北里大学, 医学部, 講師 (70403491)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 林 俊治 北里大学, 医学部, 教授 (40260765) ; 加藤 はる 国立感染症研究所, 細菌第二部, 室長 (00273136) ; 大宮 直木 藤田医科大学, 医学部, 教授 (00335035) ; 内山 淳平 麻布大学, 獣医学部, 講師 (20574619) ; 妹尾 充敏 国立感染症研究所, 細菌第二部, 主任研究官 (20646624)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2016: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: ボツリヌス菌 / 人畜共通感染症 / ボツリヌス症 / ボツリヌス毒素遺伝子 / バクテリオファージ / 水平伝播 / ビリオンタンパク質 / 構造タンパク質 / ファージ変換 / ゲノム解析 / プロテオーム解析 / 細菌 / 伝達

Outline of Final Research Achievements

Our ongoing study revealed that botulinum neurotoxin genes are present in the bacteriophage (phage) genomes and that, consequently, phages participate in neurotoxin-gene transfer to Clostridium botulinum types C and D. If so, a strategy mediated by phages to inhibit neurotoxin-gene transfer to the hosts would be of great help to block botulism outbreaks. In this study, we aimed to identify the infectious mechanism of C. botulinum type C and D phages. We performed genomics analyses of type C and D phages, which was useful to specify the phage adsorption rate that is required for adherence to the host surface. We found that phages carry several interesting genes adapted to our purpose, which are likely to encode the proteins that compose the phage tail. These novel findings will be very useful to identitify the machinery of the phage host interaction in the process of infection-mediated neurotoxin-gene transfer.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ファージリガンド分子とボツリヌス菌レセプター分子との相互作用に関する研究は、未だ明らかとなっていない。研究代表者は、これまでボツリヌス毒素遺伝子の伝達が、ファージを介して近縁菌間で起きている可能性を独自に着想した。本研究により、C型またはD型毒素遺伝子を伝播するファージビリオンタンパク質を特定し、数種のファージ尾部吸着分子と予想される遺伝子を推定することができた。今後、本吸着分子を明らかにすることにより、クロストリジウム属菌間でのボツリヌス毒素遺伝子の伝達メカニズムの解明が可能となる。また、C型菌とD型菌ファージの詳細な情報は、ボツリヌス症の感染を制御する有用なデータとなることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] Expression of tumor suppressor REIC/Dkk-3 by a newly improved adenovirus vector with insertion of an hTERT promoter at the 3’-side of the transgene. (2017)
  • Author(s): Putranto EW, Kinoshita R, Watanabe M, Sadahira T, Murata H, Yamamoto KI, Futami J, Kataoka K, Inoue Y, Ruma IM, Sumardika IW, Youyi C, Kubo M, Sakaguchi Y, Saito K, Nasu Y, Kumon H, Huh NH, and Sakaguchi M.
  • Journal Title: Oncol. Lett. Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1041-1048
  • DOI: 10.3892/ol.2017.6201
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Adsorption of Staphylococcus viruses S13´ and S24-1 on Staphylococcus aureus strains with different glycosidic linkage patterns of wall teichoic acids. (2017)
  • Author(s): Uchiyama, J., Taniguchi, M., Kurokawa, K., Takemura-Uchiyama, I., Ujihara, T., Shimakura, H., Sakaguchi, Y., Murakami, H., Sakaguchi, M., Matsuzaki, S.
  • Journal Title: J. Gen. Virol. Volume: 98(8) Issue: 8 Pages: 2171-2180
  • DOI: 10.1099/jgv.0.000865
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cellular entry of Clostridium perfringens iota-toxin and Clostridium botulinum C2 toxin. (2017)
  • Author(s): Takehara, M., Takagishi, T., Seike, S., Oda, M., Sakaguchi, Y., Hisatsune, J., Ochi, S., Kobayashi, K., Nagahama, M.
  • Journal Title: Toxins Volume: 9(8) Issue: 8 Pages: 247-247
  • DOI: 10.3390/toxins9080247
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expression of tumor suppressor REIC/Dkk-3 by a newly improved adenovirus vector with insertion of an hTERT promoter at the 3’-side of the transgene. (2017)
  • Author(s): Putranto, E. W., Kinoshita, R., Watanabe, M., Sadahira, T., Murata H., Yamamoto, K., Futami, J., Kataoka, K., Inoue, Y., Ruma I M. W., Sumardika, I. W., Youyi, C., Kubo, M., Sakaguchi, Y., Saito, K., Nasu, Y., Kumon, H., Huh, N. H., Sakaguchi, M.
  • Journal Title: Oncol. Lett. Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterization of Pseudomonas aeruginosa phage KPP21 belonging to family Podoviridae genus N4-like viruses isolated in Japan (2016)
  • Author(s): Shigehisa, R., Uchiyama, J., Kato S, Takemura-Uchiyama, I, Yamaguchi, K., Miyata, R., Ujihara, T., Sakaguchi, Y., Okamoto, N., Shimakura, H., Daibata, M., Sakaguchi, M., and Matsuzaki, S.
  • Journal Title: Microbiology and Immunology Volume: 60 Issue: 1 Pages: 64-67
  • DOI: 10.1111/1348-0421.12347
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Screening of KHP30-like prophages among Japanese Helicobacter pylori strains, and genetic analysis of a defective KHP30-like prophage sequence integrated in the genome of the H. pylori strain NY40. (2016)
  • Author(s): Uchiyama J, Takemura-Uchiyama I, Kato S, Takeuchi H, Sakaguchi Y, Ujihara T, Daibata M, Shimakura H, Okamoto N, Sakaguchi M, Matsuzaki S.
  • Journal Title: FEMS Microbiol Lett. Volume: 363 Issue: 16 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1093/femsle/fnw157
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Active Secretion of Dimerized S100A11 Induced by the Peroxisome in Mesothelioma Cells. (2016)
  • Author(s): Saho S, Satoh H, Kondo E, Inoue Y, Yamauchi A, Murata H, Kinoshita R, Yamamoto KI, Futami J, Putranto EW, Ruma IM, Sumardika IW, Youyi C, Suzawa K, Yamamoto H, Soh J, Tomida S, Sakaguchi Y, Saito K, Iioka H, Huh NH, Toyooka S, Sakaguchi M.
  • Journal Title: Cancer Microenviron. Volume: 9 Issue: 2-3 Pages: 93-105
  • DOI: 10.1007/s12307-016-0185-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of gut microbiota and metabolite in Fecal transplantation for Clostridioides difficile infection (2019)
  • Author(s): 阪口義彦、後藤和義、妹尾充敏、内山淳平、尾﨑隼人、城代康貴、林 俊治、大宮直木、加藤はる
  • Organizer: 第92回日本細菌学会総会
• [Presentation] Potential improvement of prenatal Group B Streptococcus screening using phages (2019)
  • Author(s): 内山淳平、松井秀仁、那須川忠弥、阪口義彦、水上圭二郎、阪口雅弘、松崎茂展、花木秀明
  • Organizer: 第92回日本細菌学会総会
• [Presentation] ボツリヌス神経毒素の三叉神経節での作用機構の解析 (2019)
  • Author(s): 山本由弥子、丸濱功太郎、松香芳三、美間健彦、後藤和義、Arief Waskitho、横田憲治、阪口義彦、松下 治、小熊惠二
  • Organizer: 第92回日本細菌学会総会
• [Presentation] 糞便移植治療を行ったクロストリディオイデス（クロストリジウム）・ディフィシル感染症例における腸内微生物叢の解析 (2018)
  • Author(s): 阪口義彦、後藤和義、妹尾充敏、内山淳平、城代康貴、尾﨑隼人、林 俊治、大宮直木、加藤はる
  • Organizer: 2018年度 第31回北里大学バイオサイエンスフォーラム、第21回北里微生物アカデミー研究集会
• [Presentation] クロストリディオイデス（クロストリジウム）・ディフィシル感染症に対する糞便移植におけるヒト腸内微生物叢解析 (2018)
  • Author(s): 阪口義彦、後藤和義、妹尾充敏、内山淳平、尾﨑隼人、城代康貴、林 俊治、大宮直木、加藤はる
  • Organizer: 2018年日本細菌学会関東支部インターラボセミナー、第7回ファージ研究会合同大会
• [Presentation] 一般遠心機を利用した新規ウイルス精製法の確立 (2018)
  • Author(s): 那須川忠弥、内山淳平、内山伊代、氏原隆子、松崎茂展、阪口義彦、村上裕信、水上圭二郎、阪口雅弘
  • Organizer: 第101回日本細菌学会関東支部総会
• [Presentation] B群連鎖球菌検査精度向上を目指したファージ溶菌酵素の利用 (2018)
  • Author(s): 小方雅也、内山淳平、那須川忠弥、内山伊代、阪口義彦、松井秀仁、松崎茂展、花木秀明、阪口雅弘
  • Organizer: 第101回日本細菌学会関東支部総会
• [Presentation] 黄色ブドウ球菌における大型ファージの普遍形質導入の研究 (2018)
  • Author(s): 中森洋佑、内山淳平、村上裕信、阪口義彦、水上圭二郎、内山伊代、阪口雅弘
  • Organizer: 第2回獣医微生物学フォーラム
• [Presentation] Analysis of botulinum neurotoxin-converting phages in Clostridium botulinum types C and D (2018)
  • Author(s): Sakaguchi, Y., Uchiyama, J., Ogura, Y., Gotoh, K., Yamamoto, Y., Matsuzaki, S., Yamaguchi, A., Hayashi, T., Oguma, K., Hayashi, S.
  • Organizer: The 91st Annual Meeting of Japanese Society for Bacterioology
• [Presentation] 関東の医療施設で分離されたAcinetobacter baumanniiの分子疫学的解析 (2018)
  • Author(s): 山口明日美、阪口義彦、松井真理、小林秀丈、内山淳平、松井秀仁、花木秀明、林 俊治
  • Organizer: 第91回日本細菌学会総会
• [Presentation] Acinetobacter baumanniiの同定方法の比較検討 (2018)
  • Author(s): 山口明日美、阪口義彦、松井真理、内山淳平、松井秀仁、花木秀明、小林秀丈、林 俊治
  • Organizer: 第91回日本細菌学会総会
• [Presentation] Analysis of botulinum neurotoxin type B6 gene-encoding plasmid in Clostridium botulinum type B. (2017)
  • Author(s): Sakaguchi, Y., Uchiyama, J., Hosomi, K., Kohda, T., Ogura, Y., Hayashi, T., Hayashi, S., Kozaki, S., Mukamoto, M.
  • Organizer: 第90回日本細菌学会総会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-19
• [Presentation] Study of adsorption of AHJD-like phages infecting Staphylococcus aureus. (2017)
  • Author(s): Uchiyama, J., Kurokawa, K., Takemura-Uchiyama, I., Ujihara, T., Sakaguchi, Y., Sakaguchi, M., Matsuzaki, S.
  • Organizer: 第90回日本細菌学会総会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-19
• [Presentation] C型ボツリヌス毒素を支配するバクテリオファージの解析 (2017)
  • Author(s): 阪口義彦
  • Organizer: 第8回北里感染症教育フォーラム
  • Invited
• [Presentation] 関東の医療施設で分離されたAcinetobacter baumanniiの分子疫学的解析 (2017)
  • Author(s): 山口明日美、阪口義彦、小山内洋子、小林秀丈、松井真理、内山淳平、松井秀仁、花木秀明、林俊治
  • Organizer: 第100回日本細菌学会関東支部総会
• [Presentation] Acinetobacter baumanniiの同定方法の比較検討 (2017)
  • Author(s): 山口明日美、阪口義彦、小山内洋子、松井秀仁、花木秀明、松井真理、内山淳平、林俊治
  • Organizer: 平成29年度（第54回）日臨技 関甲信支部・首都圏支部医学検査学会
• [Presentation] Acinetobacter baumanniiのresistance islandの遺伝子解析 (2017)
  • Author(s): 山口明日美、阪口義彦、小山内洋子、松井真理、小林秀丈、内山淳平、松井秀仁、花木秀明、林俊治
  • Organizer: 第29回日本臨床微生物学会総会・学術集会
• [Presentation] Analysis of adsorption of phages, S13' and S24-1, belonging to the family Podoviridae genus P68virus, using Staphylococcus aureus strains with different glycosidic linkage patterns of wall teichoic acids (2017)
  • Author(s): Uchiyama, J., Taniguchi, M., Kurokawa, K., Takemura-Uchiyama, I., Ujihara, T., Shimakura, H., Sakaguchi, Y., Murakami, H., Sakaguchi, M., Matsuzaki, S.
  • Organizer: International Union of Microbiological Societies (IUMS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Adsorption of Staphylococcus viruses S13' and S24-1 on Staphylococcus aureus strains with different glycosidic linkage patterns of wall teichoic acids (2017)
  • Author(s): Uchiyama, J., Taniguchi, M., Kurokawa, K., Takemura-Uchiyama, I., Ujihara, T., Shimakura, H., Sakaguchi, Y., Murakami, H., Sakaguchi, M., Matsuzaki, S.
  • Organizer: The 16th Awaji International Forum on Infection and Immunity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規PB1様ファージKPP22と緑膿菌PAO1株を利用した前適応ファージKPP22M作製過程の遺伝的解析 (2016)
  • Author(s): 那須川忠弥、内山淳平、鈴木仁人、西藤公司、加藤伸一郎、内山伊代、氏原隆子、島倉秀勝、村上裕信、岡本憲明、阪口義彦、柴山恵吾、阪口雅弘、松崎茂展
  • Organizer: 日本微生物生態学会第31回大会、ファージ・環境ウイルス研究合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 横須賀市文化会館（神奈川県横須賀市）
  • Year and Date: 2016-10-21
• [Presentation] Screening of KHP30-like prophage in Helicobacter pylori using Japanese strains, and analysis of their fate by in silico approach. (2016)
  • Author(s): Uchiyama, J., Takemura-Uchiyama, I., Kato, S., Takeuchi, H., Sakaguchi, Y., Ujihara, T., Nasukawa, T., Shimakura, H., Okamoto, N., Sakaguchi, M., Matsuzaki, S.
  • Organizer: 日本微生物生態学会第31回大会、ファージ・環境ウイルス研究合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 横須賀市文化会館（神奈川県横須賀市）
  • Year and Date: 2016-10-21
• [Book] ボツリヌス症の臨床症状 (2016)
  • Author(s): シリーズ！！ボツリヌス菌による疾患（ボツリヌス症）
  • Total Pages: 1
  • Publisher: サラヤ情報誌「衛生の友」
• [Book] ボツリヌス症の治療と予防 (2016)
  • Author(s): シリーズ！！ボツリヌス菌による疾患（ボツリヌス症）
  • Total Pages: 1
  • Publisher: サラヤ情報誌「衛生の友」