Pangenome-phenotype association analysis reveals niche adaptation mechanisms of slow-growing mycobacteria

• Project/Area Number: 23K21162
• Project/Area Number (Other): 21H02093 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38020:Applied microbiology-related
• Research Institution: National Institute of Infectious Diseases
• Principal Investigator: 矢野 大和 国立感染症研究所, 薬剤耐性研究センター, 主任研究官 (20646773)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西内 由紀子 広島大学, IDEC国際連携機構:PHIS, 特任准教授 (00333526) ; 岩本 朋忠 神戸市健康科学研究所, その他部局等, 所長 (70416402)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2022: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2021: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: プラスミド / 非結核性抗酸菌 / 巨大線状プラスミド / 抗酸菌 / GWAS / 集団ゲノム

Outline of Research at the Start

遅発育性の非結核性抗酸菌は、浴室の常在菌である一方、ヒトに感染して肺疾患を引き起こす。本研究では「なぜMycobacterium aviumは浴室バイオフィルムと人の肺という全く異なるニッチに適応できるのか？」という問いに対し、「パンゲノム内の多様なアレルからの選択」という解を想定し、この妥当性をゲノムと実験の両面から評価する。具体的には、健常者浴室分離株集団と臨床分離株集団との間でのゲノムと表現型の比較を行い、M. aviumのニッチと表現型に関連するアレル、遺伝子、プラスミドを解明し、本種の制御基盤を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

臨床ニッチより浴室ニッチにおいて、より高頻度に分布していることが判明していたM. aviumのtRNAアレーを運ぶ巨大線状プラスミドのゲノム進化学的研究を進めるため、線状プラスミドを保有していることが判明してた浴室株３株と臨床株3株のゲノム配列をロングリードとショートリードのハイブリッドアッセンブリーにより完全解読し、得られたアッセンブリー配列を用いてレプリコンや遺伝子構造の比較を実施した。これらの株が保有していてたtRNAアレーを運ぶ巨大線状プラスミドの長さは197kbから457kbの間で、中央値は346kbであった。また線状プラスミドの両末端は共通して380bpから410bpの長さの逆転反復配列を構成していた。巨大線状プラスミドに保存されたコア遺伝子の数は143個であったが、それらの遺伝子の9割以上について、その機能を推定することができなかった。よって線状プラスミドの複製と維持に必須の領域を探すため、線状プラスミドを保有する7株のなかから、TM4ファージを利用したTnSeq法を適応可能な菌株のスクリーニングを行った。その結果、ヒト由来株１株がカナマイシン耐性遺伝子マーカーを利用したトランスポゾン挿入変異体の選択が可能であることが判明し、TM4ファージを利用したトランスポゾン挿入変異体作成を実施できた。今後ライブラリーのサイズを増やして、Tnseq法を実施し、巨大線状プラスミドの複製と維持に必須の領域を決定する予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

抗生物質と抗生物質耐性遺伝子を利用した選択ができるクローンのスクリーニングに時間を要した。条件検討の結果、人分離株１株についてはトランスポゾン挿入変異体作成が可能であることが判明したため、次年度にはTnseqをするのに必要なサイズの変異体ライブラリーを作成する予定である。

Strategy for Future Research Activity

完全ゲノム配列を構築した株のTn-seq解析を進める。巨大線状プラスミドの必須遺伝子群の同定とそれらを利用したベクター開発を進める。巨大線状プラスミドについての成果をまとめ論文として発表する。

Research Products

• [Presentation] GWAS approach identifies bacterial risk factors for cavitary MAC lung diseases (2023)
  • Author(s): Hirokazu Yano, Kentero Arikawa, Yukiko Nishiuchi, Hanako Funano, Kana Misawa, Tomoyasu Nishimura, Atsushi Ota, Fumito Maruyama, Mari Miki, Manabu Ato, Naoki Hasegwa, Hiroshi Kida, Ho Namkoong, Seigo Kitada, Tomotada Iwamoto
  • Organizer: 第９６回 日本細菌学会総会