ウイルスを捉えて生物圏機能を根底から理解する―革新的メタゲノム解析技術の開発―

• 研究領域: デジタルバイオスフェア：地球環境を守るための統合生物圏科学
• 研究課題/領域番号: 22H05714
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅳ)
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 西村 陽介 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海洋機能利用部門(生命理工学センター), 特任研究員 (90718959)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: メタゲノム / ウイルス / 環境微生物 / ゲノム解析 / メタトランスクリプトーム / データベース / バイオインフォマティクス

研究開始時の研究の概要

ウイルスは代謝を改変することで宿主の死や生理的機能を支配し、様々な生物圏機能に影響を与える。環境に存在するウイルスの生態研究には、ウイルスを分離せずに解析する「メタゲノム解析」が効果的であるが、その情報解析技術は未発達な部分が大きい。本研究では、「ゲノム解読」「宿主予測」「活動の理解」に関連する革新的な情報解析手法を開発し、その手法を「環境横断的」なメタゲノム・ビッグデータに適用することで、ウイルスゲノムを大量に解読し、その活動実態を解明する。これにより、ウイルスの生態に関する知識基盤を大幅に拡充し、海洋・土壌・ 地下圏等の環境においてウイルスが果たす生物圏機能の解明に貢献する。

研究実績の概要

微生物と、微生物に感染するウイルスの活動は生物圏を根底から制御しており、炭素・窒素等の物質循環を司ることで、海洋や土壌における生物圏機能に大きな影響を与えている。しかしながら、環境微生物に関する知見は圧倒的に不足しており、「ダークマター」と呼称される未培養の微生物やウイルスが多くを占める。特に、ウイルスの情報解析技術は未発達であり、環境に存在するウイルスの実態は謎に包まれている。本研究は環境におけるウイルスの活動実態を解明するために、ウイルスゲノム解析のための情報解析手法を開発する。その手法を環境横断的なメタゲノム・ビッグデータに適用することで、それぞれの環境に存在するウイルスゲノムを大規模に解読し、ウイルスの宿主や活動を解明する手がかりとなる情報を整備し、ウイルスが果たす生物圏機能の解明に貢献する。
本年度は、大規模な環境メタゲノムデータ（約１００兆塩基対）の配列アセンブリから同定されたウイルスゲノム1600万の配列（うち、７万が完全長ゲノム）を対象に、遺伝子アノテーションを行った。メタゲノムの由来となる環境の情報についても整備を行うことで、ウイルスに内在する機能遺伝子は環境ごとに大きく異なることが明らかになった。
また、RNAウイルスについては、新規なRNAウイルスを同定するための解析パイプラインを新しく開発した。また、土壌等の環境試料のメタトランスクリプトームサンプルを取得し、環境中のRNAウイルスの分析を行っている。具体的な解析内容としては、環境中に存在するRNAウイルスは必須遺伝子RdRpをマーカーとして検出されるが、RdRpをコードするペプチド鎖が２つに分かれている「分割型」RdRpが知られる。本解析では分割型の網羅的な探索を行い、分割型の知られざる多様性を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Consensus statement from the first RdRp Summit: advancing RNA virus discovery at scale across communities (2024)
  • 著者名/発表者名: Charon J, Olendraite I, Forgia M, Chong LC, Hillary LS, Roux S, Kupczok A, Debat H, Sakaguchi S, Tahzima R, Nakagawa S, Babaian A, Abroi A, Bejerman N, Ben Mansour K, Brown K, Butkovic A, Cervera A, Charriat F, Chen G, Chiba Y, … Zrelovs N and Neri U
  • 雑誌名: Frontiers in Virology 巻: 4 ページ: 1371958-1371958
  • DOI: 10.3389/fviro.2024.1371958
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Double-stranded RNA sequencing reveals distinct riboviruses associated with thermoacidophilic bacteria from hot springs in Japan (2024)
  • 著者名/発表者名: Urayama Syun-ichi、Fukudome Akihito、Hirai Miho、Okumura Tomoyo、Nishimura Yosuke、Takaki Yoshihiro、Kurosawa Norio、Koonin Eugene V.、Krupovic Mart、Nunoura Takuro
  • 雑誌名: Nature Microbiology 巻: 9 号: 2 ページ: 514-523
  • DOI: 10.1038/s41564-023-01579-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] DiGAlign: Versatile and Interactive Visualization of Sequence Alignment for Comparative Genomics (2024)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Yosuke、Yamada Kohei、Okazaki Yusuke、Ogata Hiroyuki
  • 雑誌名: Ｍｉｃｒｏｂｅｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ 巻: 39 号: 1 ページ: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME23061
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distinct groups of RNA viruses associated with thermoacidophilic bacteria (2023)
  • 著者名/発表者名: Urayama Syun-ichi、Fukudome Akihito、Hirai Miho、Okumura Tomoyo、Nishimura Yosuke、Takaki Yoshihiro、Kurosawa Norio、Koonin Eugene V.、Krupovic Mart、Nunoura Takuro
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 2023.07.02 ページ: 547447-547447
  • DOI: 10.1101/2023.07.02.547447
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distribution and survival strategies of endemic and cosmopolitan diazotrophs in the Arctic Ocean (2023)
  • 著者名/発表者名: Shiozaki Takuhei、Nishimura Yosuke、Yoshizawa Susumu、Takami Hideto、Hamasaki Koji、Fujiwara Amane、Nishino Shigeto、Harada Naomi
  • 雑誌名: The ISME Journal 巻: 17 号: 8 ページ: 1340-1350
  • DOI: 10.1038/s41396-023-01424-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distribution and survival strategies of diazotrophs in the Arctic Ocean revealed by global-scale metagenomic analysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuhei Shiozaki, Yosuke Nishimura, Susumu Yoshizawa, Hideto Takami, Koji Hamasaki, Amane Fujiwara, Shigeto Nishino, Naomi Harada
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2022.10.28.514325
  • オープンアクセス
• [学会発表] RNAウイルスのゲノム複製を担う酵素RdRpの「特異な」進化 (2024)
  • 著者名/発表者名: Yuto Chiba, Yosuke Nishimura
  • 学会等名: 第18回日本ゲノム微生物学会年会
• [学会発表] How to report the divided RdRps (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuto Chiba, Yosuke Nishimura
  • 学会等名: The First RdRp Summit
  • 国際学会
• [学会発表] 公共メタゲノムデータで土壌微生物ダークマターに光を当てる (2023)
  • 著者名/発表者名: 西村陽介
  • 学会等名: 第70回日本生態学会
• [学会発表] 地球環境に棲まうウイルス「ダークマター」の実態を 公共メタゲノム・ビッグデータ解析で明らかにする (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村陽介
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会