2017 Fiscal Year Research-status Report
水平伝播遺伝子予測システムの開発と環境適応と共進化過程の解明
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17K00401
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
阿部 貴志 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (30390628)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池村 淑道 長浜バイオ大学, バイオサイエンス学部, 客員教授 (50025475)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 水平伝播遺伝子 / BLSOM / 連続塩基組成 / SC-BLSOM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生物の進化や環境適応には生物種間での遺伝子の水平伝播が大きな役割を果たしていると考えられている．しかしながら，従来の配列相同性検索では水平伝播遺伝子の検出は限界があり，ゲノム全体における水平伝播遺伝子の全容解明には新規解析手法の開発が求められている．我々が開発した一括学習型自己組織化マップ（BLSOM）は，配列相同性に依らず，連続塩基組成のみで生物種ごとに高精度に分離できることから，着目生物種に固有のGC含量やコドン組成とも異なる水平伝播遺伝子の検出にも有用性が期待できる．
本年度は，BLSOMを活用した微生物ゲノムを対象とした水平伝播遺伝子候補予測システムの開発を行った．この予測システムは，ある微生物の完全長ゲノム配列を対象とした場合，ゲノム配列の断片化（例えば，1kb）し，そのゲノム配列断片を全既知微生物で作成したBLSOMマップ上へマッピングを行い，マップされた格子点とその近傍に分類されていた既知生物種情報を用いて，原核生物のPhylumレベルを推定する．さらに，Phylumを推定できゲノム配列断片については，各PhylumでのGenus-BLSOMへマッピングを行うことで，属や種レベルでのゲノム配列断片の系統推定が可能となっている．また，真核生物の共生関係解明のための予測システムとして，従来のBLSOMと比べて約1/20以下に計算時間を短縮できている自己圧縮型BLSOM（SC-BLSOM）を用いて，迅速で簡便な予測システムの開発を行った．また，2017年度生命科学系学会合同年次大会にて，フォーラム「“遺伝子の水平伝播”とは何か？」を共催し，水平伝播の痕跡と意義についてゲノムレベルでの解析から，微生物，植物，動物およびヒトのそれぞれにおける議論を行った．
今後は，開発している予測システムを用いて，実問題を対象に解析を行いながら，本システムのさらなる改良を行っていく．
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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
今年度は，微生物ゲノムを対象とした一括学習型自己組織化マップ（BLSOM）による水平伝播の候補ゲノム領域の検出法の開発を行った．検証として，南極由来のSphingomonas属細菌ゲノムを対象に，水平伝播の候補遺伝子の同定とその由来となる生物系統を推定した．南極株は他の大陸起源の近縁種に比べ，多くの水平伝播候補遺伝子を保持し，主に膜タンパク質に関連する機能を持つ遺伝子が確認されたが，南極株間で獲得した遺伝子の由来は異なっていた．また，南極株を含めたSphingomonas属細菌8種のゲノム構造の保存性も調べたところ，南極株2株でのゲノム構造の保存性は低く，それぞれ独立して水平伝播遺伝子を獲得したと考えられ，近縁種間での保存性も考慮することでより正確な検出が可能であることを示した．
我々が開発した一括学習型自己組織化マップ（BLSOM）を用いて水平伝播遺伝子の検出を行う場合，全既知生物ゲノムデータを必要とする水平伝播遺伝子の網羅的検出には膨大な時間がかかる．今年度は，更なる高速化・データの大量化に向けてBLSOMを階層的に構築した自己圧縮BLSOM（SC-BLSOM）を用いて，水平伝播候補領域の検出法の確立と，マダニと共生関係にある原虫・細菌に着目した水平伝播候補領域の網羅的検出を行った．その結果，マダニゲノム内より原虫・細菌由来の水平伝播候補領域を検出できた．また，検出された水平伝播候補領域について，その由来となる生物系統の推定を行ったところ，Rickettsiaをはじめとするダニ媒介病原体由来が多く検出された．本手法は共生生物種との水平伝播の様式やその全体像を明らかにする上で有用であり，共進化過程の解明にむけた基盤情報の提供も可能となる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度開発した「既知生物種BLSOMを活用した予測システム」を用いて，南極コケ坊主中の12種の微生物のゲノムを対象に，水平伝播遺伝子の予測とその結果の評価を行う．また，「真核生物の共生関係解明に向けた予測システム」では，マダニ-原虫-共生微生物間の３者の関わり合いを水平伝播遺伝子から明らかにすることを目的に，解析と評価を行う．各々の手法について，生物学的な知見に基づく検証を行いながら，更なる手法の改良を試みる．また，多くの共生菌を持ち，その機能解明のための研究も多く行われている植物にも着目し，解析を行う．また，真核生物の共生関係下にある生物間での低分子RNAに着目した水平伝播予測システムの開発も試みる．
真核生物と共生する原虫や微生物との関わりあいを水平伝播の観点から解明するため，遺伝子のみならず，低分子RNAにも着目する．既知の低分子RNA（特に，miRNA， siRNA）をリファレンスとし，真核生物ゲノムが保有する低分子RNAリストを作成し，それを元に，開発したシステムで検出した節足動物ゲノム中の水平伝播遺伝子候補を対象に低分子RNAの探索を行う．もし低分子RNA配列が検出されれば，この低分子RNAは，共生生物より獲得したものといえる．一方で，共生生物ゲノムの水平伝播遺伝子候補から検出されれば，節足動物が獲得したといえる．このように，低分子RNAの水平伝播での獲得過程を解明することで，遺伝子発現調節機構からみた真核生物と共生菌との新たな関係の解明を試みる．
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Research Products
(6 results)
