2018 Fiscal Year Annual Research Report
動物細胞外マトリックスを標的とする微生物叢の動態と定着機構の解明及びその応用展開
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18H02166
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
橋本 渉 京都大学, 農学研究科, 教授 (30273519)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三上 文三 京都大学, 農学研究科, 教授 (40135611)
丸山 如江 摂南大学, 理工学部, 助教 (90397563)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 微生物叢 / グリコサミノグリカン / 常在機構 / 感染機構 / プロバイオティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ある種の病原細菌や常在細菌は、動物の細胞外マトリックスを構成する酸性多糖グリコサミノグリカン（GAG）（例：ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ヘパリン）を定着や分解の標的とする。本研究では、GAGを標的とする代表的な病原細菌と常在細菌（善玉菌、悪玉菌、日和見菌）を対象に、GAGの認識・断片化・輸送・分解・代謝に関わる分子機構を、ゲノム生物学・分子生物学・構造生物学の観点から解明することを目指す。今年度は以下の成果を得た。
病原細菌Stretobacillus moniliformisはヒアルロン酸とコンドロイチン硫酸を分解し、ABCトランスポーターを介して不飽和GAG二糖を細胞内に取り込む。本菌に見出した両GAGを認識するタンパク質（Smon0123）について、不飽和ヒアルロン酸二糖との複合体の立体構造を決定した。N-とC-ドメインから構成されるSmon0123は、分子中央のクレフトで不飽和ヒアルロン酸二糖と結合し、基質非結合体と比べて両ドメインを47°閉じた構造に変化させていた。また、本タンパク質は両GAGをクレフト内の共通のアミノ酸残基で認識するが、その特異的な認識には水分子の位置を変化させていることが明らかとなった。
プロバイオティクス効果が知られている乳酸菌として、善玉菌Lactobacillus rhamnosus及びヒト腸内から単離されたEnterococcus属細菌がヘパリンを分解することを見出した。また、ヘパリン添加により両乳酸菌による腸管様細胞との接着が阻害されたことから、両菌がヘパリンを介して腸管様細胞と相互作用している可能性が考えられた。
日和見菌であるBacteroides属細菌について、多くの種でGAG（特に、ヒアルロン酸とコンドロイチン硫酸）を分解することが分かり、本細菌群の腸内優占性とGAG分解性との相関が示唆された。
以上のことから、病原細菌によるGAGの認識機構及び種々の常在細菌のGAG分解性を明らかにすることができた。
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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
病原細菌Stretobacillus moniliformisのGAG結合タンパク質（Smon0123）と各種GAG（ヒアルロン酸とコンドロイチン硫酸）二糖との複合体の立体構造から、本菌のGAG認識機構を原子レベルで明らかにすることができた。細胞表層に局在するSmon0123はGAG二糖をABCトランスポーターに運搬し、本菌のGAG取り込みに機能する鍵タンパク質の一つであることから、Smon0123はGAG輸送のトリガータンパク質として位置づけることができる。したがって、この構造生物学の観点から得られた知見は、効果的なGAG結合阻害剤の分子設計に繋がり、本細菌による感染を抑制することが期待される。
プロバイオティクスとして分類される乳酸菌（Lactobacillus属とEnterococcus属細菌）において、GAG（ヘパリン）分解性を示す善玉菌を見出し、それらの腸管様細胞との接着にGAGの関与を示唆した。両細菌のゲノムには、GAGの輸送、分解、及び代謝に関わる遺伝子群が認められる。これらの知見は、善玉菌の定着促進の研究に繋がると期待される。
日和見菌として知られる腸内優占種Bacteroides属細菌の多くがGAG分解性を示すことを見出し、腸内優占性とGAG分解性との相関を示唆した。これらの成果はヒト腸内での微生物叢の形成機構を理解する上で、重要な知見である。
以上のことから、病原細菌と常在細菌（善玉菌と日和見菌）による動物細胞外マトリックス構成成分（GAG）への作用に関して、順調に研究成果が蓄積している。
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| Strategy for Future Research Activity |
病原細菌の一種であるGAG分解性Streptococcus属細菌を対象に、ヒアルロン酸の輸送に関わるホスホトランスフェラーゼ系PTSについて、その遺伝子破壊株を育種し、その性状を解析することにより、本病原細菌におけるPTSの生理的意義を明らかにする。
常在細菌のうち悪玉菌として分類されるClostridium属細菌について、そのGAG（ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ヘパリン）分解性やGAG存在下での分子応答をRNAseq法による遺伝子発現レベルから解析する。
常在性日和見菌（Bacteroides属細菌）を対象に、GAG（ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ヘパリン）資化性を調べるとともに、GAG分解・代謝により生じる本細菌群の代謝産物を解析する。特に、ヒト腸管内での本細菌群の生理的意義を明らかにするため、細菌細胞外のアミノ酸や有機酸の分泌レベルを解析する。またヒト腸内細菌叢におけるBacteroides属細菌のGAG分解遺伝子の検出頻度をリアルタイムPCR法により解析し、本細菌群の腸内優占性とGAG分解性との相関を分子レベルで明らかにする。
善玉菌としてのGAG（ヘパリン）分解性Lactobacillus rhamnosusを対象に、そのヘパリン代謝に関わる異性化酵素のX線結晶構造解析を進め、本酵素反応に重要な活性部位を同定する。
以上の研究により、ヒト腸内細菌叢のGAG標的機構の解明を推進する。
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