共生ゲノミクスによる新規抗菌ペプチドの革新的探索法の開発

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K22294
• 研究機関: 基礎生物学研究所
• 研究代表者: 重信 秀治 基礎生物学研究所, 新規モデル生物開発センター, 教授 (30399555)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2023-03-31
• キーワード: 抗菌ペプチド / 次世代シーケンシング / 共生

研究実績の概要

本研究では、昆虫=微生物共生系に着目した革新的な抗菌ペプチドの探索法を開発する。代表者は昆虫アブラムシと共生細菌の間の共生の分子機構を解明する研究に従事してきたが、その過程で偶然に、ゲノムが明らかであっても従来の方法では同定が不可能な、新しいタイプの抗菌ペプチド群を発見した。本研究では昆虫=微生物共生系のトランスクリプトーム・ゲノムデータから新規抗菌ペプチドをシステマティックに探索する手法を開発する。共生進化のユニークな相互作用が生み出す、新たなタイプの抗菌性分子の発見が期待される。
本研究は３つの課題から構成される。研究1:昆虫共生器官のRNA-seqデータ収集については、昨年までに取得した半翅目昆虫の共生器官のRNA-seqのデータ解析を進めた。研究2:RNA-seq データから抗菌ペプチドを探索するプログラムの開発については、すでにプロトタイプとして開発済みのエンドウヒゲナガアブラムシ用の新規抗菌ペプチド探索手法をパイプライン化し、汎用性を高める検討をしていた。しかしその最中に、AlphaFold2と呼ばれる革新的なタンパク質構造予測技術がNature誌に発表された。AlphaFold2は機械学習を使って配列情報のみから立体構造を予測する画期的な技術である。本研究のパイプラインに組み込めば格段の性能向上につながると結論づけた。現在、実装に試行錯誤しているところである。研究3:新規抗菌ペプチド候補を合成し抗菌活性を調べる、については、研究２の予測パイプラインの見直しが生じたため、一部保留した。一方、今年度代表者が発表したシロアリゲノム中に、シロアリ特異的ペプチドを発見したため、これらの生理活性の解析に着手した。
本来今年度が最終年度であったが、上記の通り研究２において革新的技術の登場によりパイプラインの大幅な見直しをすることにしたため、研究期間の延長の手続きを行なった。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

研究１のRNA-seqやゲノムデータの取得と解析は順調だったものの、研究実績の概要に記したとおり、研究2:RNA-seq データから抗菌ペプチドを探索するプログラムの開発の最中に、AlphaFold2と呼ばれる革新的なタンパク質構造予測技術が登場した。本研究のパイプラインに組み込めば格段の性能向上につながると考え、パイプラインの大幅な見直しをすることにした。しかしながらその実装は技術的なハードルが高く時間を要している。また、これに伴って、研究３のペプチド合成も一部保留にせざるを得なかった。このように、予想外の革新的技術の登場により本研究の開発の見直しが必要となり、全体として「やや遅れている」と自己評価した。

今後の研究の推進方策

研究1「昆虫共生器官のRNA-seqデータ収集」についてはほぼ完了しており、データ解析も順調に進捗している。研究２「RNA-seq データから抗菌ペプチドを探索するプログラムの開発」については研究実績の概要に記した通り、AlphaFold2によるタンパク質構造予測を組み込んだ新たなパイプラインを作成する。AlphaFold2は計算量がかなり多いことがわかってきたので、本研究の探索的パイプラインに組み込むには工夫が必要である。ソフトウェア的には概算だがスピードの早いアプローチで、またハードウェア的には高速GPUをクラウドコンピューティングで利用する、などの工夫を検討している。研究３については、すでに着手した３つの新規抗菌ペプチド候補を合成し抗菌活性を調べる。ペプチドの合成には次の3つの方法からそれぞれの候補に適したものを選択する。1) 化学合成、2)大腸菌の発現系、3)真核細胞(ピキア酵母やバキュロウイルス昆虫細胞)の発現系。現在、１のアプローチで３つのペプチドを合成中である。合成できたら、抗菌活性は、培養阻害やKirby-Bauerテストなど定法に則って測定する。活性測定の対象微生物は、まず大腸菌を対象とし、解析系が確立したのちに、その他のプロテオ バクテリア(α,β,γ)、グラム陽性菌、真菌へと広げる。

次年度使用額が生じた理由

ペプチド合成のために予算を計上していたが、年度内に合成まで至らなかったため。具体的には、研究2「RNA-seq データから抗菌ペプチドを探索するプログラムの開発」の最中に革新的なタンパク質構造予測技術（AlphaFold2）が登場し、本研究のパイプラインに組み込むことを決断し、パイプラインの大幅な見直しをすることにした。これに伴って、研究３のペプチド合成も保留にせざるを得なかった。また、ペプチド合成の遅延に伴い、生理活性テストも実施できなかったため。

次年度は可及的速やかにパイプライン構築を進め、予測のできた候補抗菌ペプチドから合成を進め、さらには生理活性テストも逐次進める計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Genomic and transcriptomic analyses of the subterranean termite Reticulitermes speratus :Gene duplication facilitates social evolution (2022)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Shuji, Hayashi Yoshinobu, Watanabe Dai, Tokuda Gaku, Hojo Masaru Y., Toga, K., Saiki, R., Yaguchi H., Masuoka, Y., Suzuki, R., Suzuki S., Kimura, M., Matsunami M., Sugime Y., Oguchi K., Niimi, T., Gotoh, H., Hojo Masaru K., Miyazaki Satoshi, Toyoda Atsushi, Miura Toru, Maekawa Kiyoto
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 ページ: e2110361119
  • DOI: 10.1073/pnas.2110361119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Aphid hologenomics: current status and future challenges (2022)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Shuji、Yorimoto Shunta
  • 雑誌名: Current Opinion in Insect Science 巻: 50 ページ: 100882～100882
  • DOI: 10.1016/j.cois.2022.100882
  • 査読あり
• [学会発表] Hologenomics of aphids: an integrative view of the insect and symbionts (2021)
  • 著者名/発表者名: Shuji Shigenobu
  • 学会等名: The 93rd Annual Meeting of the Genetics Society of Japan
  • 国際学会 / 招待講演