2019 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 – 2021-03-31
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| Keywords | 一括学習型自己組織化マップ / 水平伝播候補遺伝子 / 南極細菌 |
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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．
今年度は，水平伝播予測ワークフローとして開発してきた，従来の連続塩基組成のみに着目してゲノム配列断片を生物種別に高精度に分類可能な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検出と近縁種ゲノム間での保存遺伝子の双方向ベストヒット解析を組み合わせた手法を用いて，南極コケ坊主由来のSphingomonas属細菌2種とその近縁種に対する水平伝播遺伝子候補の検出を行った．その結果，南極株は他の大陸起源の近縁種に比べ，ゲノム上での水平伝播遺伝子の割合が高く，水平伝播遺伝子の由来は南極株2種で大きく異なることが示唆された．水平伝播候補遺伝子の機能を調べたところ，細胞壁あるいは細胞膜の機能に関連する遺伝子が両方で確認された．南極由来のSphingomonas属2種の系統樹上での位置関係はともに異なるブランチを形成していたが，水平伝播で獲得した遺伝子の機能やアミノ酸組成の変化など多くの共通した特徴が見られ，各南極株が南極環境に適応するプロセスにおいて収斂進化の可能性が示唆された．これらの成果を踏まえ，論文投稿を行っている．また，他の南極細菌に対する水平伝播遺伝子候補の検出を行い，異なる属においてもSphingomonas属と似た傾向が示唆された．開発した水平伝播候補遺伝子検出ワークフローをソフトウェアとして公開した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度は，開発した連続塩基組成に基づくBLSOMによる検出手法と近縁種ゲノム間での保存遺伝子の双方向ベストヒット解析を組み合わせる手法を用いて，南極由来のSphingomonas属2種の細菌ゲノムと其の近縁種を対象に，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推定を行った．その結果，南極株は他の大陸起源の近縁種に比べ，ゲノム上での水平伝播遺伝子の割合が高く，水平伝播遺伝子の由来は南極株2種で大きく異なることが示唆された．水平伝播候補遺伝子の機能を調べたところ，細胞壁あるいは細胞膜の機能に関連する遺伝子が両方で確認された．さらに、アミノ酸頻度を、ハウスキーピング遺伝子と水平伝播候補遺伝子で調べたところ，ともに他の大陸系統とは異なる特性を示すことが示唆された．南極の系統で増加しているアミノ酸として，Lys、Ser、Thr、Valがあり、一方でAla、Arg、Glu、Leuは減少していた．南極由来のSphingomonas属2種の系統樹上での位置関係はともに異なるブランチを形成していたが，水平伝播で獲得した遺伝子の機能やアミノ酸組成の変化など多くの共通した特徴が見られ，各南極株が南極環境に適応するプロセスにおいて収斂進化の可能性が示唆された．これらの成果を踏まえ，論文投稿を行っている． また，他の南極細菌に対する水平伝播遺伝子候補の検出として，Flabobacteria属に着目し，解析を行ったところ，Sphingomonas属と似た傾向が示唆された．また，開発した水平伝播候補遺伝子検出ワークフローをソフトウェアとして公開した．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで開発してきた水平伝播遺伝子予測ワークフローを用いて，南極由来細菌や真核生物とその共生細菌間に対する解析を実施する．開発したワークフローは，どの生物でも対象にできるように，国際塩基配列データベースに登録されている塩基配列のほぼ全てを学習データとしてBLSOMによって学習を行った結果をリファレンスとして用いている．しかし，ある特定の生物を対象とする場合や新規性の高いゲノムを対象とする場合には，それらを含めたBLSOM解析を行う必要があり，その学習には大型計算機を用いたとしても多大な時間を要する．そのため，解析対象とするゲノムに対し，柔軟に，かつ，簡便に水平伝播候補遺伝子を検出できるよう，対象のゲノムに特化した検出ワークフローの開発を試みる．
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| Causes of Carryover |
現在，投稿を行っている論文の英文校閲費用と論文掲載料として使用する予定である．
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