2022 Fiscal Year Annual Research Report
縄文人ウイルスから紐解く古代人バイロームとウイルス進化
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21J22509
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The Graduate University for Advanced Studies |
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Principal Investigator |
西村 瑠佳 総合研究大学院大学, 生命科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 縄文ウイルス / バイローム / 古代DNA / ウイルス進化 / Ribo-seq |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では縄文人の体内に存在していたウイルスを網羅的に同定し、長期的なウイルス進化過程を明らかにする。古代人骨や生物の遺物から取得される古代DNAを調べることによって、古代人の体内に存在したウイルスなどの存在を明らかにすることができる。古代人の体内には現代人と同様に多様なウイルスが存在し、バイロームと呼ばれるウイルス集団を形成していたと考えられる。特に歯や糞石などには古代人の口腔内や腸内の環境を反映したウイルスが多く存在していたと推測される。そこで、本研究では縄文人の歯や糞石から抽出された古代DNAを対象に全ゲノムシーケンシングを行い、ゲノムデータから縄文人の体内に存在したウイルスゲノムを調べた。糞石ゲノムデータの解析により、現代人の腸内に存在するウイルスと類似の断片配列を多数同定した。また、そのウイルスのホストの細菌や食物に由来すると推定される真核生物の配列と類似の断片配列も合わせて同定した。これによって今まで未解明だった縄文人の腸内環境について知見を得ることに成功した。また、歯髄のゲノム解析結果からは、多数の古代ウイルス配列を同定し、完全長に近いと推定される古代ウイルスゲノム配列も特定した。これらの同定されたウイルスを系統毎に分類し、バイロームの特徴付けも行ったところ、食生活などとの関連が示唆された。
また、現代のウイルスの遺伝子を使って実験的にウイルス進化を調べる準備を行った。ウイルスの遺伝子はホストへの適応において重要な役割を担うが、相同性から遺伝子や機能を推定することは困難で、遺伝子と推定されたものの多くが機能未知である。ウイルス遺伝子同定とその発現状態を解析すべく、リボソームが翻訳を行っている領域のmRNA配列を同定するRibo-seq実験系を大腸菌を用いて確立した。今後確立された系を応用してウイルス遺伝子の発現状態を解析する予定である。
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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
縄文人の体内に存在するウイルスを多数同定できたためである。ウイルスをより多く効率的に同定するために、大規模な全ゲノムシーケンシングデータを用いて複数のウイルス探索手法を用いた。今年度は昨年度に引き続き、縄文人の歯髄と歯石、糞石から得られた全ゲノムシーケンシングデータを用いて縄文ウイルスの探索を行った。縄文ウイルスの網羅的探索の際、既知ウイルスとの相同性からウイルス配列を同定する相同性検索に加え、細菌の免疫記憶であるCRISPR中に残されたウイルスの断片配列を用いる手法や機械学習を取り入れた手法を用いた。糞石由来の縄文ウイルスの探索結果より、現代人の腸内にも存在する腸内ウイルスと類似の断片配列が多数検出され、その大半は細菌を宿主とするファージ由来であった。また、現代人腸内にも多く存在するSiphoviridaeのウイルスが多く存在するなど現代人腸内との類似性が見られた。また、ウイルスの宿主の細菌や食物などに由来すると考えられる真核生物のゲノムと類似の断片配列も多数検出することに成功した。これら糞石のゲノム解析結果をまとめた論文を現在投稿中である。歯髄や歯石由来のウイルスの探索においては、複数のウイルス探索手法を用いたことにより、同定されたウイルス配列の数を大幅に上昇させた。また、検体毎に含まれる縄文ウイルスの組成を決定づけ、口腔内のウイルス群集である口腔内バイロームの特徴付けを行った。上記の結果は国内外の学会にてポスターと口頭で発表を行い、2件のポスター賞受賞を受けるなど評価されている。
上記と並行し、現代のウイルスの遺伝子を使ったウイルス進化解析系の確立を行った。発現状態や機能などがわかっていないウイルス遺伝子同定とその発現状態を解析するために、翻訳中の遺伝子を同定できるRibo-seq実験系を大腸菌を用いて確立した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究では、縄文人の歯髄や歯石、糞石の検体から取得された全ゲノムシーケンシングデータを用いることによって、縄文人の体内に存在したと推定されるウイルス配列を多数同定することに成功した。これらのウイルス配列を用いてウイルス組成から縄文人のバイロームを特徴付け、現代人のバイロームと比較することによって健康状態や生活習慣との関連性を明らかにする。さらに、バイロームの特徴をより深く理解するために、バイローム中で見られるウイルスが持つ個々の遺伝子の解析や口腔内や腸内の細菌の集団であるマイクロバイオームの解析を行う予定である。特に、口腔内や腸内環境に生息するウイルスの大半はファージと呼ばれる細菌に感染するウイルスであるので、ファージの宿主の細菌について網羅的に調べることにより、ファージと宿主細菌間のネットワークなどを解明できると予想される。また、同定されたウイルス配列のうち、完全長に近いものを利用して、系統解析を実施して現代のウイルスとの関連性や進化速度の推定などを行うことによって、多数のウイルス種における長期的な進化過程の解明を試みる。特に、今回取得されるような時間情報が含まれた古代のウイルスゲノムを系統解析に使うことで、宿主への適応やウイルス集団内の短期的な変化などの影響を排除した長期的なウイルス進化過程を調べられる。
上記と並行して、現代のウイルスを対象に遺伝子を同定し、翻訳状態を調べることでウイルス進化の解析を進める予定である。解析に際しては確立されたRibo-seqの系を利用し、複数種のウイルスを対象にするため、複数種の宿主細菌株でRibo-seqを実施する。これによってウイルス遺伝子の発現状態を明らかにし、さらにそれぞれの遺伝子の進化について調査を行う。
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[Journal Article] Women in the European Virus Bioinformatics Center2022
Author(s)
Hufsky Franziska、Abecasis Ana、Agudelo-Romero Patricia、Bletsa Magda、Brown Katherine、Claus Claudia、Deinhardt-Emmer Stefanie、Deng Li、Friedel Caroline C.、Gismondi Maria Ines、Kostaki Evangelia Georgia、Kuhnert Denise、Kulkarni-Kale Urmila、Metzner Karin J.、Meyer Irmtraud M.、Miozzi Laura、Nishimura Luca、et al.
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Journal Title
Viruses
Volume: 14
Pages: 1522～1522
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] The International Virus Bioinformatics Meeting 20222022
Author(s)
Hufsky Franziska、Beslic Denis、Boeckaerts Dimitri、Duchene Sebastian、Gonzalez-Tortuero Enrique、Gruber Andreas J.、Guo Jiarong、Jansen Daan、Juma John、Kongkitimanon Kunaphas、Luque Antoni、Ritsch Muriel、Lencioni Lovate Gabriel、Nishimura Luca、et al.
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Journal Title
Viruses
Volume: 14
Pages: 973～973
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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