Innovative method development to screen novel antimicrobial peptides by evolutionary genomics approach

• Project/Area Number: 19K22294
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
• Research Institution: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: Shigenobu Shuji 基礎生物学研究所, 超階層生物学センター, 教授 (30399555)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 抗菌ペプチド / RNA-seq / トランスクリプトーム解析 / 昆虫 / 共生 / 次世代シーケンシング

Outline of Research at the Start

抗菌ペプチドは、多細胞生物がもつ自然免疫で機能する生体防御物質で、侵略する微生物を殺すために用いられる。既存の抗生物質と比べて耐性を獲得しにくい特性があり近年注目されている。私は、昆虫アブラムシと共生細菌の共生機構解明の基礎研究に従事してきたが、その過程で偶然に、機能未知遺伝子の中に新規の抗菌ペプチド群を発見した。これらは従来の遺伝子予測プログラムでは予測が不可能であったが、一定の特徴を共有していることに気づいた。本研究では、そのような経験則をパイプラインとして実装し、昆虫＝微生物共生系のゲノム・トランスクリプトームデータからシステマティックに新規抗菌ペプチドを探索する新規技術を開発する。

Outline of Final Research Achievements

Motivated by my earlier fortuitous discovery of novel antimicrobial peptides through a transcriptome analysis of bacteriocytes (insect cells specialized for symbiosis with endosymbionts), this study aimed to establish a pipeline for identifying new antimicrobial peptides, particularly within the framework of insect-microbe symbiotic systems. Our innovative method enabled the identification of a novel class of antimicrobial peptides derived from insects, including aphid BCR peptides. This research signifies a pivotal stride towards understanding and harnessing the potential of antimicrobial peptides from insect-microbe interactions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

抗菌ペプチドは、多細胞生物がもつ生体防御のための物質で、自然免疫反応によって、侵略してくる病原性微生物を攻撃するための分子である。既存の抗生物質と比べて耐性を獲得しにくいため、新規抗菌ペプチドの開発には大きな関心が寄せられている。本研究では、これまで注目されてなかった昆虫・微生物共生系に焦点を当て、新規抗菌ペプチドの探索パイプラインを開発し、その手法を用いた新規抗菌ペプチドの発見を成功させた。これらの新規抗菌ペプチドは、新規医薬品や農薬の開発に応用できる大きなポテンシャルを秘めているとともに、本研究で示したアプローチは、ゲノム時代の天然物創薬の新たな方向性を示している。

Research Products

• [Journal Article] Complex host/symbiont integration of a multi-partner symbiotic system in the eusocial aphid Ceratovacuna japonica (2022)
  • Author(s): Yorimoto Shunta、Hattori Mitsuru、Kondo Maki、Shigenobu Shuji
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Pages: 105478～105478
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105478
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Massive expression of cysteine-containing proteins causes abnormal elongation of yeast cells by perturbing the proteasome (2022)
  • Author(s): Namba Shotaro、Kato Hisaaki、Shigenobu Shuji、Makino Takashi、Moriya Hisao
  • Journal Title: G3 Genes|Genomes|Genetics Volume: 12 Pages: jkac106
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkac106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genomic and transcriptomic analyses of the subterranean termite Reticulitermes speratus :Gene duplication facilitates social evolution (2022)
  • Author(s): Shigenobu Shuji, Hayashi Yoshinobu, Watanabe Dai, Tokuda Gaku, Hojo Masaru Y., Toga, K., Saiki, R., Yaguchi H., Masuoka, Y., Suzuki, R., Suzuki S., Kimura, M., Matsunami M., Sugime Y., Oguchi K., Niimi, T., Gotoh, H., Hojo Masaru K., Miyazaki Satoshi, Toyoda Atsushi, Miura Toru, Maekawa Kiyoto
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Pages: e2110361119
  • DOI: 10.1073/pnas.2110361119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Aphid hologenomics: current status and future challenges (2022)
  • Author(s): Shigenobu Shuji、Yorimoto Shunta
  • Journal Title: Current Opinion in Insect Science Volume: 50 Pages: 100882～100882
  • DOI: 10.1016/j.cois.2022.100882
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antimicrobial Activities of Cysteine-rich Peptides Specific to Bacteriocytes of the Pea Aphid <i>Acyrthosiphon pisum</i> (2019)
  • Author(s): Uchi Nahoko、Fukudome Mitsutaka、Nozaki Narumi、Suzuki Miyuzu、Osuki Ken-ichi、Shigenobu Shuji、Uchiumi Toshiki
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 34 Pages: 155～160
  • DOI: 10.1264/jsme2.me18148
• [Presentation] 昆虫ソシオゲノミクスの新展開 シロアリとアブラムシ (2022)
  • Author(s): 重信秀治
  • Organizer: イベリアトゲイモリゲノム解読シンポジウム& 第三回イベリアトゲイモリ研究会
  • Invited
• [Presentation] Hologenomics of aphids: an integrative view of the insect and symbionts (2021)
  • Author(s): Shuji Shigenobu
  • Organizer: The 93rd Annual Meeting of the Genetics Society of Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] CRISPR/Cas9 によるエンドウヒゲナガアブラムシのゲノム編集 (2020)
  • Author(s): 重信秀治
  • Organizer: 日本動物学会第91回大会
• [Presentation] 共生ゲノミクス - 昆虫とバクテリアの細胞内共生から学ぶこと (2020)
  • Author(s): 重信秀治
  • Organizer: 日本共生生物学会第4回大会(招待講演)
  • Invited
• [Presentation] Genome editing in the pea aphid (2020)
  • Author(s): Shuji Shigenobu
  • Organizer: 19th Annual Workshop at Bellairs - Emerging Model Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] NGSが切り拓く昆虫研究のフロンティア (2019)
  • Author(s): 重信秀治
  • Organizer: 九州大学昆虫科学・新産業創生研究センター設立記念 キックオフシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Genomic Revelations of a Mutualism: Aphids and the Endosymbiont (2019)
  • Author(s): Shuji Shigenobu
  • Organizer: The 2nd NIBB-Princeton Joint Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ortholog Analyses Reveal Genomic Basis of Evolutionary Novelty - Lessons from Insect Genomes (2019)
  • Author(s): Shuji Shigenobu
  • Organizer: The 67th NIBB Conference "Quest for Orthologs"
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 基礎生物学研究所プレスリリース：真社会性をもつササコナフキツノアブラムシと2種類の共生細菌が...
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/press/2022/12/26.html