High-resolution metagenomic sequence data analysis for antibiotic resistance genes

• Project/Area Number: 19K12200
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 角田 将典 東京大学, 医科学研究所, 特任研究員 (80837427)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: メタゲノム / 抗菌薬耐性遺伝子 / 抗菌薬 / 耐性遺伝子

Outline of Research at the Start

抗菌薬は、細菌感染症治療等のために広く用いられている重要な薬剤であるが、細菌は遺伝子の変異や水平伝播により、抗菌薬への耐性を獲得することが知られている。一方で、近年メタゲノム解析と呼ばれる、動植物の体内・体表や土壌、海洋河川などに混在する細菌集団の有する遺伝子群の解析を可能にする手法が発展してきた。
本研究では、細菌の抗菌薬耐性遺伝子の変異等の詳細な解析を可能にするメタゲノム解析手法を開発し、再現性の高い実験を容易にする解析パイプラインの構築を行う。また、開発する解析パイプラインを用いてヒト腸内細菌叢の抗菌薬耐性遺伝子の多様性の解析を行う

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、動植物の体内・体表や土壌、海洋河川などに混在する細菌叢（細菌の集団）から得られるDNA配列データ（メタゲノムデータ）に対し、細菌の有する抗菌薬耐性遺伝子の変異を解析する手法を開発した。DNA読取装置は比較的高い読み取りエラー率（0.1%-数%）である。また、細菌叢中には複数の近縁種が存在し、同一の座位に複数の変異が存在し得る。これらをモデル化した推定手法を開発した。既存のメタゲノムデータを通した遺伝子解析では、メタゲノムアセンブリの際に、細菌叢中に存在する一塩基変異の情報が欠落してしまう。これは、近縁の細菌由来の類似した塩基配列が細菌叢中に複数存在する場合、メタゲノムアセンブリによって一つの代表配列が組み上げられてしまい、変異の情報が失われてしまうためである。本手法を適用することで、その詳細を解析することが可能になった。本手法は、抗菌薬耐性遺伝子の解析を目的として開発されたが、広く一般の遺伝子も同様に解析対象とすることが可能であるため、その意義は大きいといえる。
本補助事業では3年間で以下の3つを遂行することを計画していた、(1)一塩基変異の塩基配列の詳細を再現する解析手法の開発、(2)開発する解析手法を組み込んだ解析パイプラインの構築、(3)ヒト腸内細菌叢中の抗菌薬耐性遺伝子の多様性の解析。しかしながら、本補助事業は初年度で廃止となったため、当初、初年度に遂行を計画していた(1)を計画通り達成し、2-3年目に計画されていた(2)および(3)は今後の課題として残ることとなった。

Research Products

• [Journal Article] Association between breath methane concentration and visceral fat area: a population-based cross-sectional study (2020)
  • Author(s): Ozato Naoki、Saito Shinichiro、Yamaguchi Tohru、Katashima Mitsuhiro、Tokuda Itoyo、Sawada Kaori、Katsuragi Yoshihisa、Kakuta Masanori、Imoto Seiya、Ihara Kazushige、Nakaji Shigeyuki
  • Journal Title: Journal of Breath Research Volume: 14 Issue: 2 Pages: 026008-026008
  • DOI: 10.1088/1752-7163/ab61c6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Metagenomic analysis of bacterial species in tongue microbiome of current and never smokers (2020)
  • Author(s): Sato Noriaki、Kakuta Masanori、Hasegawa Takanori、Yamaguchi Rui、Uchino Eiichiro、Kobayashi Wataru、Sawada Kaori、Tamura Yoshihiro、Tokuda Itoyo、Murashita Koichi、Nakaji Shigeyuki、Imoto Seiya、Yanagita Motoko、Okuno Yasushi
  • Journal Title: npj Biofilms and Microbiomes Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41522-020-0121-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The relationship between cigarette smoking and the tongue microbiome in an East Asian population (2020)
  • Author(s): Sato Noriaki、Kakuta Masanori、Uchino Eiichiro、Hasegawa Takanori、Kojima Ryosuke、Kobayashi Wataru、Sawada Kaori、Tamura Yoshihiro、Tokuda Itoyo、Imoto Seiya、Nakaji Shigeyuki、Murashita Koichi、Yanagita Motoko、Okuno Yasushi
  • Journal Title: Journal of Oral Microbiology Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1742527-1742527
  • DOI: 10.1080/20002297.2020.1742527
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Blautia genus associated with visceral fat accumulation in adults 20-76 years of age. (2019)
  • Author(s): Ozato N, Saito S, Yamaguchi T, Katashima M, Tokuda I, Sawada K, Katsuragi Y, Kakuta M, Imoto S, Ihara K, Nakaji S
  • Journal Title: NPJ Biofilms Microbiomes. Volume: 5:28 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41522-019-0101-x
  • Peer Reviewed / Open Access