2020 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of the Serratia genome diversity and emerging process of highly resistant lineage and identification of highly virulent lineages
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19H03472
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
林 哲也 九州大学, 医学研究院, 教授 (10173014)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | セラチア・マルセッセンス / セラチア属 / ゲノム解析 / 系統解析 / プラスミド / 薬剤耐性 / 病原性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
セラチアは代表的な日和見感染菌であり、院内感染や高度多剤耐性株の出現が問題となっている。本研究では、環境に広く分布し、多様な菌株集団と考えられる本菌において大規模比較ゲノム解析を行い、1)系統の同定、各系統特異的遺伝子群の同定、2)プラスミドの多様性と耐性遺伝子集積の実態と集積メカニズムの解明、耐性プラスミドの伝播能の解析と高度多剤耐性株出現におけるプラスミドの役割の解明、3)臨床株集積系統の同定、他系統との潜在的病原性の比較による高病原性系統と責任遺伝子の同定を目指している。本年度の成果は以下の通りである。
1.昨年度に収集したセラチア・マルセッセンス(Sma)と近縁菌のゲノム情報、コア・パンゲノム解析、ANI解析、系統解析の結果を基に、最終的に14系統を同定し、Smaと近縁菌種の関係を明らかにした。また、strain biasの影響を減らす工夫を行い、統計学的に有意な系統間のゲノムサイズとGC含量の違いを明らかにした。各系統に分布するCRISPR-Cas系の違いについて、さらに詳細な解析を行ったほか、Smaの特性として有名な赤色色素の産生に関わる遺伝子群が特定系統のみに存在することを明らかにした。
2.既存プログラムを用いたプラスミド検索が有効でなく、幅広く利用できるプラスミド抽出法も存在しなかったため、ロングシーケンスを用いた完全長配列の取得により、プラスミドの同定と配列決定を行うことに方針変更し、32株の情報を取得した。
3.各株の耐性遺伝子・変異を検索し、昨年度に測定した主な抗菌薬に対する感受性試験の結果と比較した結果、ベータラクタム系の一部やキノロン系については、ゲノム情報からの感受性予測が難しいことを明らかになった。
4.分離ソースの検討から統計学的に有意に臨床由来株が集積している2つの系統を同定し、両系統に耐性遺伝子・変異が有意に集積してことを明らかにした。
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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
本研究の目的のうち、項目1については、1)ゲノム情報の収集、2)コアゲノム・パンゲノム解析、3)総当たりANI解析とコア遺伝子配列を用いた高精度系統解析などによる主な系統の同定、4)各系統に特異的な遺伝子群の同定が順調に進行し、ほぼ最終版といえるデータが得られた。加えて、統計学的に有意な各系統のゲノムサイズとGC含量の違い、各系統と提唱されているセラチア・マルセッセンスおよびその近縁菌種の関係、各系統に分布するCRISPR-Cas系の違いや、赤色色素合成系遺伝子に系統特異的な分布を明らかにすることができた。
項目2にうち、プラスミドの解析に関しては、ロングリードシーケンシングによって各株の保有するプラスミドの配列を決定してカタログ化（plasmidome解析）を行うことに方針変更し、解析が進行した。耐性遺伝子集積の実態解明については最終結果が得られ、臨床由来株集積系統への顕著な集積を明らかにすることができた。これに加えて、ベータラクタム系の一部やキノロン系については、ゲノム情報からの感受性予測が難しいことを明らかにすることができた。
項目3については、病原性への関与が示唆されている形質の解析と定量化の開始は、最終的な系統の確定や特性の解析に時間を要したこととプラスミド情報の取得に時間を要しているため、開始ができていないが、分離ソースの検討によって臨床由来株集積系統の同定に成功し、上記のように、これらの系統への耐性遺伝子・耐性変異の集積も明らかにすることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)ゲノム比較の成果については早期の論文発表を目指す（現在作成中）。
(2)Plasmidome解析については、ロングリードシーケンシグにより、各株の全ゲノム配列を決定することによって、保有するプラスミドの配列を決定し、カタログ化する。100株を目標に現在作業中である。このゲノム情報の取得と並行して、各プラスミド上の耐性遺伝子とその存在部位（インテグロンやトランスポゾンなど）を解析するとともに、接合伝達遺伝子群の有無、そのタイプとセラチア内での分布を解析し、この情報を基に、代表株・代表プラスミドを選定して接合伝達実験を行い、異なるセラチア系統や他の腸内細菌科細菌への各プラスミドの伝播能を明らかにする。この解析では耐性遺伝子をコードするプラスミドを主な対象とする。
(3)抗菌薬に対する感受性測定の結果と耐性遺伝子・耐性変異の検索結果の比較で矛盾が見られたものに対しては、検索結果の精査、感受性の再測定、染色体上の薬剤排泄ポンプなどの関与を検討する。
(4)研究室保有株の中から、臨床由来株集積系統（2系統）と臨床由来株が有意に少ない系統（環境株集積系統：2系統）、中間の系統（2系統）から代表株を選抜し、病原性への関与が示唆されている形質を解析し、定量化する。この結果を参考に、各系統の代表株をさらに選抜し、カイコとマウスの感染モデルを用いて、臨床株集積系統、環境株集積系統、それ以外の系統の病原性の違いを解析する。さらに、臨床株集積系統特異的遺伝子群の中から、文献・配列情報などを基に病原性関連遺伝子を選定し、臨床株集積系統の代表株において遺伝子破壊株と各遺伝子のプラスミドを用いた相補株を作成し、カイコおよびマウス感染モデルを用いて、選定した病原性関連遺伝子の病原性への関与を解析する。
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