Investigation of bacterial factors related to the pathogenesis of invasive pneumococcal infections using genome-wide association study
| Project/Area Number |
23K19687
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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0907:Oral science and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大野 誠之 大阪大学, 大学院歯学研究科, 助教 (90982869)
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| Project Period (FY) |
2023-08-31 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 肺炎球菌 / 侵襲性肺炎球菌感染症 / ゲノムワイド関連解析 / パンゲノム解析 / 病原因子 / ワクチン抗原 / バイオインフォマティクス |
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| Outline of Research at the Start |
肺炎球菌は髄膜炎や菌血症などの侵襲性肺炎球菌感染症を引き起こす。血清型置換や薬剤耐性が問題となっており、新規の予防手段および治療手法の開発が急務である。本研究では、12,000株を超える規模の肺炎球菌臨床分離株の全ゲノム情報から、侵襲性感染症の発症に関与する因子の探索を行う。国内外の臨床分離株の全ゲノム情報の解読または全ゲノム情報の収集を行い、侵襲性と関連する変異をゲノムワイド関連解析によって検索する。実際の病原性との関連はマウスやヒト血液を用いた感染実験にて証明する。本研究は全世界の臨床分離株の遺伝疫学的情報を反映し、侵襲性感染症の病態解明および新規治療標的の同定に大きく貢献するものである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
肺炎球菌は髄膜炎や菌血症などの侵襲性肺炎球菌感染症を引き起こす。血清型置換や薬剤耐性が問題となっており、新規の予防手段および治療手法の開発が急務である。本研究では、国内外の臨床分離株12,599株の全ゲノム情報の解読または全ゲノム情報の収集を行い、侵襲性と関連する変異をゲノムワイド関連解析によって検索する。実際の病原性との関連はマウスやヒト血液を用いた感染実験にて証明する。本研究は全世界の肺炎球菌感染症の遺伝疫学的情報を反映し、侵襲性感染症の病態解明および新規治療標的の同定に大きく貢献する。
解析は国立遺伝学研究所スーパーコンピュータシステムおよび大阪大学スーパーコンピュータSQUIDを利用して実施した。前処理ののち、パンゲノム解析を実施し、99%以上の株が共通して保有するコア遺伝子の配列から一塩基多型(SNP)の抽出を行った。得られたSNPと遺伝子のそれぞれに対して、プログラムPyseerを用いたゲノムワイド関連解析を実施したところ、14,228箇所のSNPと3,102遺伝子の存在が侵襲性感染症と関連することが示唆された。
得られた因子のうち、タンパク質をコードする領域に生じた変異がタンパク質の機能に与える影響を、AlphaFoldを用いた立体構造予測により評価したところ、PheT遺伝子のドメイン間をつなぐリンカー領域に生じた変異が分子の機能を大きく変化させる可能性が示された。
また、病態と相関した遺伝子のうち細胞表層に局在する分子をコードするものをSignalPを用いて予測したところ、group_3907遺伝子が検索された。この遺伝子の欠失株を作製したところ、マウス静脈感染モデルにおける病原性が低下し、group_3907が侵襲性感染症の発症に重要な因子であることを分子生物学的にも確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
NCBIデータベース等から全世界で分離された肺炎球菌株の全ゲノム情報を収集し、当初予定していた12,000株を超える12,599株を収集し、全ゲノム解析を一旦完了することができ、当初の予定に沿う進捗状況であると考えている。解析の結果、侵襲性感染症の病態と相関することが示唆された14,228箇所のSNPと3,102遺伝子を得た。しかしながら、新規のワクチンや治療薬の開発に向けたさらなる実験に向けて、これらの因子はさらに絞り込むことが必要であり、課題の残る結果であった。浮上した問題点として、パンゲノム解析に用いるプログラムRoaryが株間で共通する遺伝子を算出する際に相同性の極めて高い遺伝子同士を別種として判定してしまうこと、これによってゲノムワイド関連解析の結果において偽陽性を増加させてしまっていることなどが挙げられる。そのため、これらの課題を解決した上で再計算を行う必要がある。
実際の新規予防手段や治療薬の開発に向けた分子生物学的解析については、グリコーゲン分解酵素をコードするgroup_3907遺伝子の欠失株を用いて一定の成果を得ることができた。しかしながら、本遺伝子は病態と相関する表層分子として抽出した複数因子のうちの一つに過ぎず、他の因子に関しては欠失株の作製を進めているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点での解析の結果、侵襲性感染症の病態と相関することが示唆された14,228箇所のSNPと3,102遺伝子を得た。しかしながら、新規のワクチンや治療薬の開発に向けたさらなる実験に向けて、これらの因子はさらに絞り込むことが必要である。より偽陽性が少なく信頼性の高い結果を得るために、パンゲノム解析やゲノムワイド関連解析自体の改良や、すでに実施したタンパク質の機能予測や表層分子の予測以外のスクリーニングの実施などが必要と考えている。以下に具体的な研究の推進方策を示す。
パンゲノム解析プログラムRoaryにおける相同遺伝子の判定を改善するため、相同性などのパラメータのカットオフをユーザが指定できるようにプログラムの改変を行う。これにより12,599株の集団において検出される総遺伝子数は大きく減少し、ゲノムワイド関連解析における真陽性率が高まることが期待される。
さらに、ゲノムワイド関連解析後のスクリーニングとして、階層的クラスタリングを応用した病態と相関する遺伝因子のセットを持つ菌株集団の抽出や、進化の過程で獲得・喪失し病態に影響したと考えられる遺伝因子の祖先推定による同定などを追加して進める予定である。
すでに病原性を確認したgroup_3907遺伝子についてはさらなる分子メカニズムの解明のため血液分画ごとの殺菌試験などを追加するほか、組換えタンパク質を抽出してマウスに免疫し、ワクチン抗原としての可能性を検討する。全ゲノム解析によって同定された病態と相関する他の遺伝因子群に関しても変異株を作製し、病原性の検討を実施する予定である。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
