微生物共生系の分子基盤：深海底において糖鎖が織りなす生物間相互作用の体系的解明

• Project/Area Number: 23K20307
• Project/Area Number (Other): 20H03322 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 45040:Ecology and environment-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 中川 聡 京都大学, 農学研究科, 准教授 (70435832)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 糖鎖 / 共生 / 深海底熱水活動域

Outline of Research at the Start

本研究は、深海底熱水活動域において強固な共生関係にある生物間の相互作用を、世界で初めて第三の分子生物学（=糖鎖生物学）の観点から体系化することを目指している。深海底熱水活動域は、多様な大型生物が特定の微生物と絶対的な共生関係にあり、生物間の相互作用・相互認識の研究にとって最適のフィールドである。また深海共生系は、共生と感染の分子機構の類似性を進化の時間軸を加味して研究する絶好のモデルであり、本申請研究は極めて先駆的・独創的かつ分子生物学・進化学・社会生物学・病理学・免疫学といった幅広い研究分野への波及効果が極めて大きい。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、深海底熱水活動域において強固な共生関係にある生物間（微生物-大型生物や古細菌-古細菌等）の相互作用を、世界で初めて糖鎖生物学の観点から体系化することにある。本研究において、『共生微生物の糖鎖によるタンパク質／脂質の修飾量と組み合わせ（微生物が纏うドレス）が、深海底において生物間の共生を成立させる普遍的分子基盤である』という独自の仮説を検証するため、①超高分解能質量分析技術を用いた糖鎖修飾分子の網羅的同定と構造解析、②糖鎖修飾蛍光ビーズ（人工共生菌）を用いた感染実験による糖鎖の機能解明、を実施し目的を達成する。本研究は、深海底における異種生物間の分子的コミュニケーション手段の研究を通じて、人類に蔓延する病原性微生物の誕生過程の解明、さらには共生（感染）機構を標的とした革新的治療法の開発に益することを目指している。
2023年度は、（メタ）ゲノム解析や質量分析器を用いたグライコプロテオーム解析だけでなく、バルクタンパク質からの酸加水分解や精製糖鎖のメチル化分析・計算機シミュレーションを駆使し、特に深海底熱水活動域に棲息する細胞内共生微生物における宿主-微生物間相互作用に重要であると考えられる糖鎖および糖タンパク質についてその詳細な構造を解析した。これにより、細胞内共生モードにある深海微生物において発現する多様な糖タンパク質や糖鎖を、これまでの研究を圧倒する正確性で同定し、さらにはその機能に関する知見を得ることに成功した。なお、本年度の研究に関連する成果の一部は学会や国際誌等で報告した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

超高分解能質量分析技術を駆使し、これまでの研究より極めて少ない生物サンプルを用いて、多様な糖タンパク質や糖鎖をほぼ網羅的に同定することに成功しており、今後の古細菌を対象とする研究において強力な技術基盤を確立することができているため。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究において、深海底熱水活動域にみられる真正細菌-大型生物間の共生系を対象に確立した方法論を、古細菌の共生系に適用する。一般に、古細菌の細胞表面はSレイヤーと呼ばれる、高度な糖鎖修飾を受けたタンパク質で覆われている。過去の全ゲノム解析により、共生古細菌においては必須遺伝子の多くが欠如していることが明らかとなっているものの、宿主の認識機構や相互作用は未解明である。可能な限り多くの古細菌共生系を解析し、これまでに得てきた深海底熱水活動域の真正細菌-大型生物間の共生系に関する知見と比較検証することにより、深海底に限らず様々な生態系において生物間相互作用を成立させる分子基盤の普遍性や特異性を、それらが経験してきた空間軸（環境）と時間軸（進化）を加味して理解することを目指す。なお古細菌が有するN結合型糖鎖は真核生物のN結合型糖鎖と構造が類似することから、バイオ医薬品の糖鎖エンジニアリングに代表される糖鎖創薬分野への応用が期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Helicovermis profundi gen. nov., sp. nov., a novel mesophilic, asporogenous bacterium within the Clostridia isolated from a deep-sea hydrothermal vent chimney (2024)
  • Author(s): Urara Miyazaki, Daiki Mizutani, Yurina Hashimoto, Akihiro Tame, Shigeki Sawayama, Junichi Miyazaki, Ken Takai, Satoshi Nakagawa
  • Journal Title: Antonie Van Leeuwenhoek. Volume: 117 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1007/s10482-023-01919-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Haliovirga abyssi gen. nov., sp. nov., a mesophilic fermentative bacterium isolated from the Iheya North hydrothermal field, and proposal of Haliovirgaceae fam. nov (2023)
  • Author(s): Urara Miyazaki, Akihiro Tame, Junichi Miyazaki, Ken Takai, Shigeki Sawayama, Masaaki Kitajima, Akihiro Okamoto, Satoshi Nakagawa
  • Journal Title: Int J Syst Evol Microbiol. Volume: 73 Issue: 8
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.006014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pyrofollis japonicus gen. nov. sp. nov., a novel member of the family Pyrodictiaceae isolated from the Iheya North hydrothermal field (2023)
  • Author(s): Urara Miyazaki, Masaru Sanari, Akihiro Tame, Masaaki Kitajima, Akihiro Okamoto, Shigeki Sawayama, Junichi Miyazaki, Ken Takai, Satoshi Nakagawa
  • Journal Title: Extremophiles. Volume: 27 Issue: 3 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1007/s00792-023-01316-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Simple and Effective Method for Solid Medium Cultivation of Strictly Hydrogen- and Sulfur-oxidizing Chemolithoautotrophs Predominant in Deep-‍sea Hydrothermal Fields (2023)
  • Author(s): Muto Hisashi、Miyazaki Junichi、Sawayama Shigeki、Takai Ken、Nakagawa Satoshi
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 38 Issue: 6 Pages: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME23072
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Physiological and comparative proteomic characterization of Desulfolithobacter dissulfuricans gen. nov., sp. nov., a novel mesophilic, sulfur-disproportionating chemolithoautotroph from a deep-sea hydrothermal vent (2022)
  • Author(s): Hashimoto Yurina、Shimamura Shigeru、Tame Akihiro、Sawayama Shigeki、Miyazaki Junichi、Takai Ken、Nakagawa Satoshi
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 13
  • DOI: 10.3389/fmicb.2022.1042116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nitrosophilus kaiyonis sp. nov., a hydrogen-, sulfur- and thiosulfate-oxidizing chemolithoautotroph within “Campylobacteria” isolated from a deep-sea hydrothermal vent in the Mid-Okinawa Trough (2022)
  • Author(s): Fukazawa So、Mino Sayaka、Tsuchiya Jiro、Nakagawa Satoshi、Takai Ken、Sawabe Tomoo
  • Journal Title: Archives of Microbiology Volume: 205 Issue: 1 Pages: 12-12
  • DOI: 10.1007/s00203-022-03350-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Desulfomarina profundi gen. nov., sp. nov., a novel mesophilic, hydrogen-oxidizing, sulphate-reducing chemolithoautotroph isolated from a deep-sea hydrothermal vent chimney (2021)
  • Author(s): Hashimoto Yurina、Tame Akihiro、Sawayama Shigeki、Miyazaki Junichi、Takai Ken、Nakagawa Satoshi
  • Journal Title: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Volume: 71 Issue: 11
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.005083
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrogenimonas urashimensis sp. nov., a hydrogen-oxidizing chemolithoautotroph isolated from a deep-sea hydrothermal vent in the Southern Mariana Trough (2021)
  • Author(s): Mino Sayaka、Shiotani Taiki、Nakagawa Satoshi、Takai Ken、Sawabe Tomoo
  • Journal Title: Systematic and Applied Microbiology Volume: 44 Issue: 1 Pages: 126170-126170
  • DOI: 10.1016/j.syapm.2020.126170
  • NAID: 120007187742
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biogeochemical Implications of N2O-Reducing Thermophilic Campylobacteria in Deep-Sea Vent Fields, and the Description of Nitratiruptor labii sp. nov. (2020)
  • Author(s): Fukushi Muneyuki、Mino Sayaka、Tanaka Hirohisa、Nakagawa Satoshi、Takai Ken、Sawabe Tomoo
  • Journal Title: iScience Volume: 23 Issue: 9 Pages: 101462-101462
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101462
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 深海微生物と我々の関わり (2020)
  • Author(s): 中川聡
  • Journal Title: 野口研究所時報 Volume: 63 Pages: 46-52
  • NAID: 40022399865
• [Presentation] ナノア ーキアおよび宿主ア ーキアのグライコプロテオーム (2023)
  • Author(s): 高松芳基
  • Organizer: 日本Archaea研究会第35回講演会
• [Presentation] DPANNおよび宿主アーキアの経時的グライコプロテオミクス (2023)
  • Author(s): 中川聡
  • Organizer: 第36回日本微生物生態学会大会
  • Invited
• [Presentation] 酸性温泉からの新規DPANNアーキア培養株の確立 (2023)
  • Author(s): 酒井博之
  • Organizer: 第36回日本微生物生態学会大会
• [Presentation] Glycobiological interactions between DPANN and host Archaea (2023)
  • Author(s): Satoshi Nakagawa
  • Organizer: 第６回ExCELLSシンポジウム
• [Presentation] Physiological and Metabolic Characteristics of a Novel Sulfur-disproportionating Bacterium Isolated from a Deep-sea Hydrothermal Vent Chimney at the Suiyo Seamount, Japan (2022)
  • Author(s): Yurina Hashimoto
  • Organizer: 12th Asian Symposium on Microbial Ecology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 常温性アンモニア酸化アーキアを対象とするグライコプロテオーム解析 (2022)
  • Author(s): 須山友貴
  • Organizer: 第 34 回日本 Archaea 研究会講演会
• [Presentation] Physiological and proteomic characteristics of a novel sulfur-disproportionating bacterium isolated from a deep-sea hydrothermal vent (2022)
  • Author(s): Yurina Hashimoto
  • Organizer: 18th International Symposium on Microbial Ecology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dual energy metabolism in endosymbionts of Alviniconcha vent snails (2022)
  • Author(s): Junichi Miyazaki
  • Organizer: 18th International Symposium on Microbial Ecology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DPANNアーキアおよびその宿主・非宿主のグライコプロテオミクス (2022)
  • Author(s): 中川聡
  • Organizer: 第35回日本微生物生態学会大会
  • Invited
• [Presentation] 深海底熱水活動域に優占する化学合成独立栄養微生物の平板培養方法の検討 (2022)
  • Author(s): 武藤久
  • Organizer: 第35回日本微生物生態学会大会
• [Presentation] 伊豆・小笠原および中部沖縄トラフの深海底熱水活動域から分離したPyrodictiaceae科アーキアの性状解析 (2021)
  • Author(s): 宮崎うらら
  • Organizer: 日本Archaea研究会第33回講演会
• [Presentation] 深海底熱水活動域由来イプシロンプロテオバクテリアの平板培地での培養方法の検討 (2021)
  • Author(s): 武藤久
  • Organizer: 極限環境生物学会2021年度（第22回）年会
• [Presentation] 深海微生物を彩るキテレツな糖鎖 (2020)
  • Author(s): 中川聡
  • Organizer: 第21回比較グライコーム研究会
  • Invited
• [Presentation] 伊豆・小笠原および中部沖縄トラフの深海底熱水活動域における新規微生物群の分離と性状解析 (2020)
  • Author(s): 宮崎うらら
  • Organizer: 極限環境生物学会2020年度（第21回）年会
• [Presentation] 深海底熱水活動域から分離した新規硫酸還元菌の生理・生態学的性状 (2020)
  • Author(s): 橋本侑里南
  • Organizer: 極限環境生物学会2020年度（第21回）年会
• [Presentation] 水曜海山・深海熱水噴出孔からの新規硫酸還元菌の分離と性状解析 (2020)
  • Author(s): 橋本侑里南
  • Organizer: 日本地球化学会 第67回オンライン年会
• [Book] 遺伝学の百科事典 (2022)
  • Author(s): 日本遺伝学会
  • Total Pages: 690
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 9784621306604