#376 バイロームの世界へようこそ

毎週金曜日、19:30に更新中の腸内細菌相談室。室長の鈴木大輔がお届けします。

この番組では、腸内環境で生きる無数の生物。腸内細菌に注目して最新の研究についてお話しています。つまり、腸内微生物叢 (Gut Microbiome)の中で、腸内細菌叢 (Gut Bacteriome)のお話に焦点を当てていました。

しかし、これまでのエピソードでも時々出てきたように、腸内環境に住むのは細菌だけでは有りません。腸内微生物叢には、細菌の他にも古細菌や真菌、更には(生物に含めるかは一旦置いておいて)ウイルスなんかも含まれるわけです。特に、ウイルスは細菌に感染することで、細菌との相互作用を行います。この点、ウイルスは細菌と同様に腸内環境において重要な存在であるといえます。本編では、腸内ウイルス叢 (Gut Virome)についてお話します！

腸内細菌相談室では、腸内細菌や腸内環境にまつわる研究結果を元に、最新の知見をお届けする番組です。継続的にエピソードを楽しむことで、腸内細菌について詳しくなることができるので、ぜひフォローをお願いします！

腸内ウイルス叢とは

腸内ウイルス叢 (Gut Virome)に迫る前に、ウイルスとは何かおさらいします。アメリカ国立ヒトゲノム研究所 (National Human Genome Research Institute)の定義を引用します。

A virus is an infectious microbe consisting of a segment of nucleic acid (either DNA or RNA) surrounded by a protein coat.

(ウイルスとは、タンパク質で包まれたDNAやRNAなどの核酸断片により構成される感染性の微生物である)

VIRUS, National Human Genome Research Institute, updated: November 3, 2023, access: 2023/11/6, リンク

より簡潔に、ウイルスは核酸とタンパク質でできた微生物です。しかし、微生物という表現には注意が必要です。微視的な存在ではありますが、生物であるかというと言い切れません。ウイルスは他の生物へ感染することで、初めて自己複製が可能になる存在であることや、細胞を最小単位としない点で、生物とは似て非なる存在です。また、一部の例外を除いて、一般的にウイルスは細菌よりも小さな存在です。(一部の例外では、非常に小さな細菌よりも大きなウイルスが知られています。)

理化学研究所、生命医科学研究センターの"海にいるのは人間にとって良いウイルス？(Access: 2023/11/06)"の紹介によると、海水中1mLには約10^7個(1000万個)、海全体では約10^30乗個のウイルスが存在するとされています。他の生物の生命活動に相乗りしてウイルスは増殖するため、生物にあふれる地球はウイルスの星とも表現できます。

細菌同様に、一部のウイルスは感染症を引き起こします。新型コロナウイルス、正式にはSARS-CoV-2はヒトを宿主としたウイルスで、2019年のパンデミック以降、人類に猛威を振るったことは記憶に新しいです。細菌同様に、ウイルスの感染から完全に身を守ることは難しく、私達には病原性の有無に関わらずウイルスが感染しています。

腸内環境には、非常に高い密度で細菌が存在します。つまり、そこには高い密度でウイルスが存在するということも示します。特に、腸内細菌にとってウイルスは、腸内細菌の生存を脅かす存在でもあるため、CRISPR-Casシステムによる防衛機構を備えていることは、#374 CRISPR領域を用いた腸内細菌株の識別でもご紹介しました。ウイルスの存在は、腸内細菌に対して新しい形質を獲得させるきっかけにもつながることから、腸内細菌叢だけではなく、腸内ウイルス叢を考えることは重要です。

2014年にNature Communicationsへ発表された"A highly abundant bacteriophage discovered in the unknown sequences of human faecal metagenomes"では、腸内環境から得られたメタゲノムリードから、新たなウイルスであるcrAssファージが発見されています。crAssファージは、腸内環境に豊富に存在する一方で、これまで発見されてこなかったウイルスです。

腸内ウイルス叢の研究は始まったばかりです。

ウイルス叢研究の今

今回のエピソードでは、日本バイオインフォマティクス学会刊行のJSBi Bioinformatics Reviewに掲載のレビュー"メタゲノムデータからのウイルス探索とバイローム構築"から、腸内ウイルス叢研究の今についてお話します。この論文は日本語で書かれており、かつ分かりやすくウイルス叢研究についてまとめられています。気になる方は、本節最後に記載の参考文献からチェックしてください。

本論文では、バイロームとは何か、メタゲノム解析の方法、分かっていること、課題と今後の展望について述べられています。ここから、バイローム研究の近況と今後についてお話します。

近年、ウイルスのもつゲノムは公開データベースに急速に登録されています。NCBIに登録されているだけでも20万のウイルスゲノムが存在します。ウイルスについて参照できる配列が増えることは、ウイルス叢研究の進展に重要です。何故なら、塩基配列を手に入れたとしても、それだけでは意味をなさず、塩基配列にはどのような性質があるのか、何の生物、ウイルス、遺伝子に対応するのかが分かることで、はじめてデータの解釈が可能になるからです。しかし、データベースを用いる注意点もあります。データベースに登録されているウイルスの配列は、実験的に扱い易いウイルスに偏ると考えられるためです。実験的に扱うことができないウイルスはデータベースには掲載されないので、データベースには偏りがあることを認識した上で、いかに偏りを減らしていけるかを考える必要があります。

ウイルスの系統解析 (種類を見る解析)を行う上では、生物で使用されるリボソームRNA遺伝子を活用することは出来ません。何故ならウイルスは、感染先の宿主がもつリボソームを利用するため、リボソームの遺伝子機能が必要無いためです。ウイルスの分類にはリボソームRNA遺伝子のかわりに、RNA依存性RNAポリメラーゼ(RdRp)が使用されます。しかし、RdRpもウイルス間で非常に多様であることから比較が難しい場合もあるようです。

また、ウイルスの分類や命名の方法にばらつきがあるのも課題です。研究ごとにあるウイルスを同一とみなすか否かの判断基準が異なったり、表記が異なったりすることで、研究横断的に結果を解釈することの難しさに繋がっています。分類や命名の方法に加えて、ウイルス配列の扱いの難しさもあります。ウイルスの配列に、感染先の宿主のリードが含まれてしまったり、カバレッジが低い(リードが少ない)結果が得られることもしばしばです。

このように、腸内ウイルス叢研究には、まだまだ課題もあります。

一方で、腸内を含めてウイルスは無数に存在しています。また、生物の代謝や地球の栄養循環に深く関わっていると考えられる様になってきました。腸内環境を考える上で、その機能が明らかになりウイルス叢が注目される日も近いかも知れません。

参考文献

西村 瑠佳, 井ノ上 逸朗, メタゲノムデータからのウイルス探索とバイローム構築, JSBi Bioinformatics Review, 2023, 4 巻, 2 号, p. 68-80.

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsbibr/4/2/4_jsbibr.2023.primer5/_html/-char/ja

おわりに

今回は、バイロームに焦点を当てて、ウイルスとはそもそも何か、ウイルス叢研究の現状と課題についてお話しました。細菌が存在するところにはウイルスが存在すると考えて良いので、腸内環境も多様なウイルスの宝庫と言えます。

私達の腸内では、ウイルス叢がどのように細菌叢、私達の代謝に関わっているのか、まだ分かっていないことだらけです。今後、腸内細菌相談室という名前にとらわれずに、ウイルス叢についても積極的に発信していきます。

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この番組は、メタジェンセラピューティクス株式会社の提供でお送りいたしました。

それではまた来週お会いしましょう！バイバーイ！