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北京時間の 4 月 12 日、合成生物学研究所、深圳先端技術研究所、中国科学院の Ma Yingfei 氏の研究グループと Dai Lei 氏の研究グループが共同で、「共生ヒト腸のための大規模なファージ培養」と題する最新の論文を発表しました。細菌 」 at Cell Host & Microbe での研究の結果、本研究は腸内主要共生細菌の大規模ファージ培養群技術を初めて確立し、ファージを用いて腸内細菌とファージの長期共存機構を解析した培養し、腸内細菌叢の可能性の調節におけるこれらのファージの適用を実証しました。
元のリンク DOI: https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.03.013
研究は、ファージが最も多様であるが、ヒトマイクロバイオームの中でまだ認識されていない構成要素であることを示しています. これらのファージとその宿主細菌との間の相互作用は、人間の健康に影響を与えます。腸内フローラを正確に標的にして調節するためのファージ療法の使用は、現在の腸内マイクロバイオーム研究の最前線です。ファージと細菌の複雑な関係を考慮すると、腸内微生物群集におけるファージの構造、組成、および機能を分析することは、重要な腸内病原菌に対するファージ療法の開発に不可欠です。また、メタゲノム研究により、腸内細菌とファージが長期間安定して共存できることがわかってきましたが、それらが安定して共存できるメカニズムとはどのようなものなのでしょうか? 上記の研究を行う中で、腸内細菌のファージ培養物をどのように入手するかは、現在のヒト腸内微生物叢の研究において解決されるべき緊急の課題です。
科学研究チームは、一般的な腸内共生細菌の一連のファージ分離および培養技術を開発しました。健康な人からテストされた411株の腸内共生細菌のうち、42株に感染する可能性のある209株の非重複ファージが正常に取得されました。これらの細菌には、15 種のバクテロイデス、19 種のファーミキューテス、4 種の放線菌、および 4 種のプロテオバクテリアが含まれていました。これら209個のファージのゲノムサイズは12kbから168kbの範囲であり、80%以上のファージがまだ記載されていない分類学的属に属しており、これらのファージが高い新規性と多様性を持っていることが示されました。
興味深いことに、これらの培養可能なファージには、ゲノムが 10 ～ 20 kbp と非常に小さく、分類学的に別のクレードを形成するテイル ファージのクラスが含まれます。それらの宿主細菌は、ヒトの腸管に広く存在するビフィズス菌やクロストリジウムを含むすべてのグラム陽性菌です。テイルファージに関するICTVの分類基準によると、これらの小さなゲノムファージはすべてサラスマウイルス科に分類され、2つのサブファミリーと83の属に属していました。電子顕微鏡写真は、サラスマウイルス科の ファージが短い尾を持つファージ (図 1) に属し、頭の直径が 30 ～ 50 nm、類似の組織構造を持つゲノム、および DNA ポリメラーゼなどの保存されたオルソログタンパク質を持っていることを示しています。さらに、PD491P1 と AS73P1 に代表される 2 つのファージは、crAss 様ファージよりもヒト集団に広く分布していることがわかりました (crAss 様ファージは、ヒトの腸管で最も広く分布しているファージであると考えられています) (図 2A)。および 2B)。これらのファージの宿主細菌は、バクテロイデス、アリスチペス、オドリバクター、パラバクテロイド、プレボテラ 、 バルネシエラ を含むバクテロイデス目に属し、これらはヒト腸管のバクテロイデスの主要なメンバーですが、このタイプの細菌の他のファージとは大きく異なります。分離され、独立した枝 (図 2C) を形成し、尾のあるファージに関する ICTV の分類基準に従って、研究チームはこれらのファージを新しいファージファミリーに分類し、暫定的に Paboviridae と名付けました。
図 1. ヒト腸内の小さなゲノム ファージの発見と特徴付け
図 2.ヒトの腸内で流行するパボウイルス 科の新しいバクテリオファージファミリーの発見
以前のバイオインフォマティクス分析では、ヒト腸内ファージの約 3 分の 1 が広い宿主範囲を持っている可能性が高いことが示唆されていました。研究チームは、バクテロイデスとパラバクテロイデスのファージを選択して、それらの宿主スペクトルの範囲をテストしました。何千回もの交差感染テストで、ファージの種間感染は観察されず、これらのファージが高度な宿主特異性を持っていることを示しています (図 3A)。さらに、同じ種の細菌は、同じ個体の糞便サンプルに由来するものであっても、菌株レベルで多様なファージ感受性を示すことがわかり（図 3B）、腸内細菌が複雑で多様なファージを持っていることがわかりました（図 3B）。ひずみレベルでの抵抗性メカニズム。したがって、株レベルでの腸内細菌の多様性のファージ耐性メカニズムは、腸内細菌とファージが長期的に安定して共存するための重要な理由です。
最後に、GPIC ファージを使用してヒトの腸内細菌叢を調節する可能性を実証するために、チームは、異なるゲノム配列と異なる宿主特異性を持つ 8 つの B. fragilis ファージを選択して、幅広い宿主範囲を持つファージ カクテルを形成しました。3 つのドナーの糞便サンプルの腸内フローラの外部培養システムでは、バクテロイデス フラジリスの存在量は、ファージを 24 時間添加した後、大幅に減少し、フローラの組成が大幅に変化しました (図 3C および 3D)。ファージ カクテルは、より長い連続培養で B. fragilis の存在量も減少させ (図 3E および 3F)、標的種の持続的なノックダウンを示しました。
図 3. ヒト腸内ファージの宿主特異性と微生物叢の調節
要約すると、この研究は、腸内の主要な共生細菌のファージ リソース ライブラリを構築し、腸内細菌叢の調節におけるこれらのファージ培養の価値を示しています。このリソースを使用して実行される腸内ファージと細菌の相互作用に関する研究は、腸内微生物叢の多様性、機能、および役割を深く理解するのに役立ち、関連する疾患の予防と治療のための新しいアイデアと方法を提供します。 .
中国科学院深セン高等研究院の馬英飛研究員と大磊研究員が共同責任著者であり、沈軍濤助教が筆頭著者である。
この作品は、国家主要研究開発プログラム (2019YFA0906700)、中国科学院の先駆的な科学技術プロジェクト (XDB29050501)、中国国立自然科学財団 (31971513、32061143023)、広東省基礎応用科学研究所によって支援されました。基礎研究基金 (2020A1515110184) および他のプロジェクトのための合成生物学革新基金の深セン研究所。
引用形式:沈 淳涛、張 傑瓊、魯魯飛、李 允陳、李 彬、Cun Li、Xiaoxian Kuang、Zining Tao、Zepeng Qu、Lu Wu、Junyu Chen、Shiying Liu、Linfang Zeng、Zexi He、Zuohong Chen、Yu Deng , Tong Zhang, Bing Li, Lei Dai, Yingfei Ma. 2023. 共生ヒト腸内細菌のための大規模なファージ培養. Cell Host & Microbe 31: 665-677.e667. https://doi.org/10.1016/j. chom.2023.03.013
短いコメント 1
中国科学院深圳先端技術研究所合成生物研究所の馬英飛と大磊の研究グループは、ファージ培養群技術を用いて多数のファージを分離・培養し、これらのファージのゲノムを解析することに成功しました。 -宿主スペクトルの深層分析と多数の新しいタイプのファージの発見により、ファージ種とそのゲノム多様性に関する科学界の理解が深まりました.この研究は、ファージの基礎および応用研究にとって非常に重要です.
専門家のレビュー
トン・イガン教授
北京化工大学生命科技学部長、博士指導教官。復旦大学の学部生、軍事医学アカデミーの博士号、カナダの UBC の博士研究員
主にウイルス学、微生物学、ゲノミクス、バイオセーフティの研究に従事。WHOの新しいクラウン肺炎ウイルス追跡国際チームの国際チームの中国の「動物と環境グループ」のリーダー、感染症の国家主要プロジェクトおよび合成生物学の主要研究開発プロジェクトの主任専門家。教育省の微生物学的ウイルス学コースの主要分野の仮想教育および研究セクションの責任者であり、微生物学的ウイルス学の知識分野の主任専門家、国際ウイルス分類委員会（ICTV）のメンバー、ファージの専門委員会の委員長中国生物工学会の技術、中国微生物学会の医療微生物学および免疫学専門委員会の副委員長、北京医師会の微生物学および免疫学支部の常任委員会のメンバー。310 を超える SCI 論文、3 つの Nature 論文、1 つの Cell 論文を発表し、関連する研究は 2015 年に「中国科学の進歩トップ 10」の 1 つとして評価されました。
短いコメント 2
人間の腸内の豊富なファージ コミュニティは、腸内細菌との捕食および共生関係を持ち、最終的には複雑なファージ-細菌-人間の相互作用を通じて人間の健康に影響を与えます。腸ファージに関する私たちの知識の多くは、ウイルス群集の構造と機能の可能性を分析するためのハイスループット手法であるメタゲノム研究から得られますが、多くの場合、培養されていない腸ファージの静的なビューしか提供しません。培養オミクスは、ウイルスのメタゲノミクスと完全に組み合わせて、腸内ファージの分子特性をさらに体系的に研究することができます。
この研究により、ハイスループットの腸内ファージ培養グループ技術が確立され、非常に小さなゲノムを持つ独立した尾を持つファージのクラスを含む、200 を超える腸内ファージの分離と培養に成功しました。これらのファージは高度な宿主特異性を示し、異種間感染はなく、腸のファージと宿主が多様な耐性メカニズムを持っていることを示しています。さらに、さまざまな B. fragilis ファージに基づくカクテル アプローチでも、細菌集団の存在量が持続的に減少することが示されました。この研究は、将来の腸内ウイルス研究の焦点の変化につながるでしょう。この一連のファージ分離および培養手順は、腸内ファージの動的活動の分子メカニズムの解明を加速するのに役立つだけでなく、腸内ファージおよび腸内フローラに関連する健康および疾患状態を改善するための新しい研究結果を適用することも期待されています。 、同様の提案健康な腸内微生物を促進する「プロバイオティクス」に基づいています。腸ファージ培養グループとメタゲノム技術の開発と統合は、文化に依存する研究方法と文化に依存しない研究方法の補完性を表すだけでなく、複雑な人間の腸の微小生態系の完全性と統一を告げるものでもあります。
専門家のレビュー
崔傑研究員
研究者、博士スーパーバイザー、病原体バイオインフォマティクス研究グループリーダー、中国科学院パスツール上海研究所
中国科学院上海パスツール研究所病原体バイオインフォマティクス研究グループのリーダー。研究の方向性には、1) RNA ウイルスの起源と進化、2) 病原性ゲノムの疫学、3) ハイスループットのバイローム技術が含まれます。この研究所は、ウイルス学と組み合わせたバイオインフォマティクスの「乾式および湿式」法を採用しており、Nature Review Microbiology、National Science Review、Science Bulletin、Genome Biology、Molecular Biology and Evolution、Emerging Infectious Diseases、PLoS Pathogens、 Journal of Virology など 70 論文、総被引用数 = 12420、H-index = 32。彼は、Science、Nature Review Microbiology、National Science Review、Science Bulletin、PNAS、Briefings in Bioinformatics、Nature Communications、Science China Life Sciences、Molecular Biology and Evolution、mBio、PLoS Pathogens、Journal of Virology など、多くのジャーナルの査読者を務めています。など 現在、National Science Review、iMetaなどの雑誌のユース編集委員（編集委員）を務める。
短いコメント 3
腸内ファージと腸内細菌の相互作用は、腸内微生物叢の分野における現在の研究のホットスポットの 1 つです。ファージに関する以前の研究のほとんどは、腸内ファージの配列決定と小規模な分離と培養のレベルにとどまりました。この記事には、斬新なアイデアと独創的な実験計画があります。著者らは、下水および糞便サンプルからの大規模な分離と同定、および腸内細菌との共培養を通じて、209 のファージとそれらに対応する腸内細菌宿主を同定および分離しました。著者は、一連の実験を通じて、これらのファージが感染宿主に対して高度に選択的であることを証明しました。最も興味深いのは、これらのファージが宿主に対する選択性が高いため、複雑なコロニー内の対応する細菌属の存在量を正確に調節できることを記事が証明していることです。腸内微生物叢の正確な編集には、生物医学的応用の幅広い展望があります.この記事を通じて、著者らは、腸ファージが腸内細菌組成の正確な編集と調節のための鋭いツールの1つであることを確認しました.
専門家のレビュー
郭春軍助教
ワイル コーネル医科大学
2009 年に復旦大学薬学部を卒業し、2015 年に南カリフォルニア大学薬学部で Clay CCWang 教授の下で博士号を取得した後、UCSF とカリフォルニア州スタンフォードに留学し、ポスドク研修用 小分子の作用機序の研究。2018 年 9 月、米国のコーネル大学ワイル コーネル医科大学に助教 (テニュア トラック) として参加し、独立した研究業務を遂行しました。この研究グループは、「2019 NIH Director's New Innovator Award」プロジェクトの支援を受けています。研究の方向性は、遺伝子編集技術 (CRISPR) を使用して腸内細菌叢を改変し、それらによって放出される小分子の生物活性と宿主の生理機能への影響を研究することです。現在、総合的または専門的な分野の権威あるジャーナル (Science、Cell、Nat. Commun、JACS、PNAS) に 31 の論文が掲載されています。https://scholar.google.com/citations?user=tY8JGkAAAAAAJ&hl=ja
著者について
対応する著者
ダイ・レイ研究員
中国科学院深圳先端技術研究所
● 中国科学院深圳先端技術研究所の博士監修者、合成マイクロバイオーム研究センター所長。National Key R&D Programの若者プロジェクトの責任者は、MIT Technology Reviewによって中国の「35歳未満の35人の技術革新者」の1人に選ばれました。
● Dai Lei の研究室は、量的生物学、合成生物学、微生物学の学際的な分野で独自の研究を行っており、人間の健康や農業生産などの主要な問題を解決するために、宿主共生マイクロバイオームの構造と機能を正確に特徴付け、調節することに取り組んでいます。 . 過去 5 年間の研究成果は、Cell Host & Microbe、Nature Communications、The ISME Journal、ACS Synthetic Biology、iMeta などの学術誌に (共同) 責任著者として掲載されています。
対応する著者
馬英飛研究員
中国科学院深圳先端技術研究所
● 博士指導教官、中国科学院深圳先端技術研究所合成生物研究所研究員。
● 現在、研究所は主にファージに焦点を当て、ファージ合成生物学とファージ療法に関する研究を実施しています。これには、ハイスループット シーケンス技術の使用、環境およびヒトのメタゲノム データからファージ配列を特定するためのバイオインフォマティクス ツールの開発、およびファージの多様性と研究が含まれます。環境と人体におけるその機能;細菌を特異的に殺すファージの特性を使用して、人工ファージは合成生物学の方法によって設計および合成され、薬剤耐性菌感染症の治療に適用されます;国内で早くから、それは持っています養殖と臨床研究を行い、スーパードラッグ耐性菌を制御するファージの応用に関する研究を行っています。過去 5 年間に、彼は、Cell Host Microbe、Nucleic Acids Res、Nat Commun、Microbiome などの国際的に権威のあるジャーナルに責任著者として 20 以上の論文を発表しました。プロジェクト リーダーとして、彼は国家の性質、科学技術省の重要な研究開発トピック、深セン ピーコック チーム、深セン ディシプリン レイアウトなど、あらゆるレベルのプロジェクトに取り組んでいます。Society of Bioengineering の合成生物学部門のメンバー、ファージ技術の専門委員会のメンバー、生物物理学協会の腸内フローラ部門のメンバーを務めました。
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1巻1号
第 1 巻 第 2 号
第 1 巻 第 3 号
1巻4号
2巻1号
ジャーナルのプロフィール
"iMeta" は、Wiley、腸内細菌科支部、およびこの分野の数百人の中国人科学者によって共同発行されているオープンアクセス ジャーナルです. 主な編集者は、中国科学院微生物学研究所の研究員 Liu Shuangjiang と、オランダのフローニンゲン大学。目的は、メタゲノミクス、マイクロバイオーム、およびバイオインフォマティクスの進歩のための独自の研究、方法、およびレビューを公開することです。目標は、影響力の大きい論文を上位 10% (IF > 15) に掲載することです。ジャーナルの特徴としては、動画投稿、再現性の高い分析、画像の磨き、若い編集委員、最初の3年間の出版料無料、50万ユーザーのソーシャルメディアプロモーションなどがあります。2022年2月に正式公開予定！
お問い合わせ
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発行元: https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2770596x
投稿: https://mc.manuscriptcentral.com/imeta
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