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肺炎球菌の細胞壁分解能が病態形成と薬剤耐性獲得に果たす役割の解明

Research Project

Project/Area Number 23K27764
Project/Area Number (Other) 23H03073 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 57020:Oral pathobiological science-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

山口 雅也  大阪大学, 大学院歯学研究科, 准教授 (00714536)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山下 隼人  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (10595440)
川端 重忠  大阪大学, 大学院歯学研究科, 教授 (50273694)
住友 倫子  徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(歯学域), 教授 (50423421)
細川 正人  早稲田大学, 理工学術院, 准教授(任期付) (60722981)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Keywords肺炎球菌 / 自己融解 / 細菌シングルセル解析 / 高速原子間力顕微鏡 / 細胞壁分解酵素 / シングルセル解析
Outline of Research at the Start

肺炎球菌はmitis群の口腔レンサ球菌で、肺炎や敗血症、髄膜炎の主な原因菌の一つであり、遺伝子取り込み能が高く薬剤耐性を得やすい。
本研究では、肺炎球菌の細胞壁分解能が病態形成と薬剤耐性獲得に果たす役割の解明を行う。まず、マウス感染モデルでの網羅的解析により、炎症応答に細胞壁分解能が果たす役割を明らかにする。次に、高速原子間力顕微鏡を用いて、nm単位のライブ観察で細胞壁構造と細胞壁分解酵素による分解過程を解明する。さらに、細菌シングルセル解析技術を用いて、競合と水平遺伝子伝播に細胞壁分解機構が果たす役割を解き明かす。これらの解析結果を踏まえ、細胞壁分解酵素を標的とした感染制御法の探索を行う。

Outline of Annual Research Achievements

肺炎球菌はmitis群の口腔レンサ球菌で、肺炎や敗血症、髄膜炎の主な原因菌の一つである。遺伝子取り込み能が高く薬剤耐性を得やすいことから、新たな感染制御法の確立が求められている。本研究では、肺炎球菌の細胞壁分解能が病態形成と薬剤耐性獲得に果たす役割の解明を行う。
まず、肺炎球菌のゲノム配列から、細胞壁分解酵素LytA, LytC, CbpDをコードする遺伝子の分布と分子系統関係を解析するとともに、分子進化解析により、種内における選択圧を算出することでコドンごとの進化的な保存性を評価した。その結果、lytA遺伝子がもっともアミノ酸変異が許容されないコドンの割合が高いことが示された。次に肺炎球菌の細胞壁分解酵素であるLytAの組換えタンパク質と細菌菌体を混和し、細胞壁の融解を引き起こすかを吸光度測定で評価した。その結果、肺炎球菌と同じmitis群のStreptococcus mitis, Streptococcus oralisは分解されるが、mutans群であるStreptococcus mutansは分解されないことが示された。さらに、高速原子間力顕微鏡を用いて、S. mitisに細胞壁分解酵素を添加し、細胞壁への結合と分解様式を観察した。その結果、LytA投与直後から菌体表層に生成物が増加し、10分程度でZリングの消失が認められた。さらに、投与後18分程度までで孔の形成と菌体の崩壊が観察された。
また、肺炎球菌の野生株を若齢マウスと老齢マウスに感染させ、肺を摘出した後にシングルセルRNA-seq解析を実施した。シングルセル解析の結果、老齢マウスにおいて感染によって遊走される多形核白血球の細胞群の構造が単純化されていることが示唆された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画に沿って解析を実施し、各実験において解析結果を得た。さらにマウス感染モデルにてシングルセルRNA-seq解析を行い、肺感染時の宿主応答の詳細の解明を行った。当初の計画以上の結果が得られたことから、「当初の計画以上に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

本研究は4カ年で実施するものである。原則的に当初の研究計画に沿って実行する。
マウス経鼻感染後の肺胞洗浄液を分離し、細菌シングルセル解析によって菌体ごとのゲノム配列の解読を行う。感染後に生じた肺炎球菌集団内に存在する点変異と新規挿入遺伝子を決定し、生体内での自然変異と肺微生物叢からの水平遺伝子伝播を決定する。同様に各細胞壁分解酵素の欠失株を感染させ、水平伝播の割合を評価する。また、感染前後の微生物叢構造を解析することで競合に果たす役割を評価する。
また、生体内における競合と水平伝播の解明を行うため、経鼻感染後の肺胞洗浄液を分離し、細菌シングルセル解析によって菌体ごとのゲノム配列の解読を行う。感染後に生じた肺炎球菌集団内に存在する点変異と新規挿入遺伝子を決定し、生体内での自然変異と肺微生物叢からの水平遺伝子伝播を決定する。同様に各細胞壁分解酵素の欠失株を感染させ、水平伝播の割合を評価する。また、感染前後の微生物叢構造を解析することで競合に果たす役割を評価する。
さらに細胞壁分解酵素群が耐性化の獲得に果たす役割の解明するため、肺胞上皮細胞株に、薬剤耐性遺伝子を持った口腔レンサ球菌を感染させる。その後、該当薬剤感受性の肺炎球菌の野生株と各細胞壁分解酵素の欠失株を感染させ、抗菌薬を加える。抗菌薬作用後の生存菌数を比較し、細胞壁分解酵素群が類縁菌からの耐性遺伝子の獲得に与える影響を評価する。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (25 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 連載 臨床医のための微生物学講座・Vol.5 基礎研究からみた化膿レンサ球菌による病態形成機構と宿主の防御機構2024

    • Author(s)
      山口雅也,川端重忠
    • Journal Title

      医学のあゆみ

      Volume: 288 Issue: 10 Pages: 869-874

    • DOI

      10.32118/ayu28810869

    • ISSN
      0039-2359
    • Year and Date
      2024-03-09
    • Related Report
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  • [Journal Article] Respiratory tract barrier dysfunction in viral-bacterial co-infection cases.2024

    • Author(s)
      Sumitomo T, Kawabata S.
    • Journal Title

      Jpn. Dent. Sci. Rev.

      Volume: 60 Pages: 44-52

    • DOI

      10.1016/j.jdsr.2023.12.006

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Analysis of FctB3 crystal structure and insight into its structural stabilization and pilin linkage mechanisms.2023

    • Author(s)
      Takebe K, Suzuki M, Sangawa T, Kreikemeyer B, Yamaguchi M, Uzawa N, Sumitomo T, Kawabata S, Nakata M.
    • Journal Title

      Arch. Microbiol.

      Volume: 206 Issue: 1 Pages: 4-4

    • DOI

      10.1007/s00203-023-03727-1

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Elucidation of independently modulated genes in Streptococcus pyogenes reveals carbon sources that control its expression of hemolytic toxins.2023

    • Author(s)
      Hirose Y, Poudel S, Sastry AV, Rychel K, Lamoureux CR, Szubin R, Zielinski CD, Lim HG, Menon DN, Bergsten H, Uchiyama S, Hanada T, Kawabata S, Palsson BO, Nizet V.
    • Journal Title

      mSystems

      Volume: 8 Issue: 3

    • DOI

      10.1128/msystems.00247-23

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Involvement of ribonuclease Y in pilus production by M49 <i>Streptococcus pyogenes</i> strain via modulation of messenger RNA level of transcriptional regulator2023

    • Author(s)
      Kubota Seiko、Nakata Masanobu、Hirose Yujiro、Yamaguchi Masaya、Kreikemeyer Bernd、Uzawa Narikazu、Sumitomo Tomoko、Kawabata Shigetada
    • Journal Title

      Microbiology and Immunology

      Volume: - Issue: 7 Pages: 319-333

    • DOI

      10.1111/1348-0421.13069

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Editorial: A sweet deal - Glycobiology in host-pathogen interactions.2023

    • Author(s)
      Kawanishi K., Naito-Matsui Y., Soares Zaramela L., van Sorge N.M., Yamaguchi M.
    • Journal Title

      Front. Microbiol.

      Volume: 14 Pages: 1341820-1341820

    • DOI

      10.3389/fmicb.2023.1341820

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 大規模情報解析を活用した細菌感染症の病態解明2024

    • Author(s)
      山口雅也.
    • Organizer
      Cyber HPC Symposium 2024
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    • Invited
  • [Presentation] Elucidation of the impact of age-related changes in the host response on the severity of pneumococcal infections2023

    • Author(s)
      Yamaguchi M, Kobayashi M, Kawanishi K, Ono M, Motooka D, Okuzaki D, Kawabata S.
    • Organizer
      FEMS2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Insight into neutrophil phenotypic alterations in relation to the severity of pneumococcal infection with age2023

    • Author(s)
      Yamaguchi M, Kobayashi M, Kawanishi K, Ono M, Motooka D, Okuzaki D, Kawabata S.
    • Organizer
      The 21st Awaji International Forum on Infection and Immunity
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  • [Presentation] Hyaluronidase in Streptococcus pyogenes-analysis based on structural biology and molecular phylogenetics2023

    • Author(s)
      Higashi K, Yamaguchi M, Takebe K, Nakata M, Sumitomo T, Suzuki M, Nizet V, Kawabata S.
    • Organizer
      2023 Society for Glycobiology (SfG) Annual Meeting
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    • Int'l Joint Research
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    • Author(s)
      広瀬雄二郎,川端重忠.
    • Organizer
      第97回日本感染症学会総会・学術講演会
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    • Author(s)
      大野誠之,山口雅也,川端重忠.
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      チーム阪大リトリート2023
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      大野誠之,山口雅也,元岡大祐,広瀬雄二郎,東孝太郎,秋山徹,住友倫子,池辺忠義,山口貴弘,河原隆二,奥野ルミ,大塚仁,松本裕子,賀澤優,川端重忠.
    • Organizer
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      小林桃子,山口雅也,川西邦夫,元岡大祐,奥崎大介,川端重忠.
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      山口雅也,川端重忠.
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      第65回歯科基礎医学会学術大会
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      大野誠之,山口雅也,川端重忠.
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      第65回歯科基礎医学会学術大会
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      武部克希,鈴木守,東 孝太郎,山口雅也,住友 倫子,川端重忠,中田 匡宣.
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    • Author(s)
      大野誠之,山口雅也,元岡大祐,広瀬雄二郎,東孝太郎,秋山徹,住友倫子,池辺忠義,山口貴弘,河原隆二,奥野ルミ,大塚仁,松本裕子,賀澤優,川端重忠.
    • Organizer
      2023年口腔微生物研究会
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    • Author(s)
      山口雅也,小林桃子,川西邦夫,大野誠之,元岡大祐,奥崎大介,川端重忠.
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      住友倫子,川端重忠.
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    • Invited
  • [Remarks] 研究室ホームページ

    • URL

      https://www.dent.osaka-u.ac.jp/bioinfo/bioinfo-9004

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      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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