Development of metagenome analytical method and its application to common marmoset intestine

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J21477
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 上原 美夏 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Keywords: 腸内細菌叢 / バイオインフォマティクス / メタトランスクリプトーム / メタゲノム

Outline of Annual Research Achievements

腸内細菌叢が宿主の消化管に沿ってどのように機能的に変動しているかを理解することは、細菌叢と宿主の相互作用の解明にとって重要である。メタトランスクリプトーム解析は細菌の遺伝子発現量を定量することで細菌叢の機能的活性を評価することができる。しかし、既存のデータベースに依存したメタトランスクリプトーム解析手法には潜在的な新規遺伝子を見逃す可能性があり、データベースに依存しない手法においてもサンプル間での細菌遺伝子の対応付けの難しさなどの限界がある。本研究では、消化管部位間の細菌叢比較に適用したメタトランスクリプトーム統合解析手法を開発し、この方法をコモンマーモセットの複数消化管部位におけるメタトランスクリプトーム解析に応用した。
提案手法は、メタゲノムデータから部位間で共通する細菌叢のリファレンスメタゲノムを再構築することでデータベースに含まれない新規遺伝子の検出、および、部位間での遺伝子の対応付けを可能にし、このリファレンスメタゲノム配列を元にしてメタトランスクリプトームデータから遺伝子発現量を定量することで部位間での遺伝子発現量の比較を可能にした。この方法を用いて、前臨床実験動物である霊長類コモンマーモセットの複数消化管部位における細菌叢の遺伝子発現量とコミュニティの変動を調査した。提案手法により得られた結果は、コミュニティ全体の遺伝子発現量だけでなく一細胞あたりの遺伝子発現量の変動を明らかにし、データベースに含まれない新規の遺伝子を検出した。これらの新規遺伝子は空間的情報を考慮した共変動解析によって機能推定がされた。加えて、16S rRNA遺伝子解析によって、コモンマーモセットの糞便細菌叢が他の主なモデル生物のそれよりもヒトの糞便細菌叢に類似していることを示した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画調書の令和2年度の計画に記載した未知遺伝子も対象とした遺伝子発現解析手法の確立と、データベースに存在しない未知遺伝子の機能推定の両方を完了している。提案された解析手法を用いて実施したメタトランスクリプトーム解析の結果は、提案手法が空間的変化に対する細菌叢の機能的変動についての洞察、および、データベース上に存在しない未知遺伝子の機能的解釈を提供することを強調した。計画調書の内容に加えて、モデル生物の細菌叢比較解析を実施し、細菌叢研究のモデル生物としてコモンマーモセットが有用な候補となることを提示した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、細菌叢と宿主の遺伝子発現プロファイルを統合した相互依存的な制御関係の予測を行うため、宿主のトランスクリプトームプロファイルの取得、および、細菌叢と宿主消化管細胞の遺伝子発現プロファイルの統合により相互依存関係を予測する手法の確立に取り組む。