細菌のストレス応答と集団レベルの生存の関連付けの進展
バイオテクノロジーにおけるカレントオピニオン
第79巻、2023年2月、102885号
細菌のストレス応答と集団レベルの生存の関連付けの進展
著者リンクオーバーレイパネルRazan NAlnahhas12Mary JDunlop12
https://doi.org/10.1016/j.copbio.2022.102885
権利と内容を取得する
ストレス応答機構は、細菌が栄養状態の変化、抗生物質との遭遇、他の微生物との拮抗的な相互作用など、無数の困難を乗り切ることを可能にする。これらのストレス応答経路の発現は、増殖速度や代謝状態などの他の細胞の特徴に加え、細胞間や時間経過とともに不均一になることがある。これらの単一細胞レベルの表現型は、集合的に、ストレスに対する全体的な集団レベルの反応に寄与しています。これには、ベット・ヘッジングを可能にする多様化作用や、バイオフィルム生産、水平遺伝子伝達、クロスフィーディングなどの協調作用が含まれる。ここでは、ストレスに対する単一細胞レベルおよび集団レベルの応答に焦点を当てた最近の成果と新技術を紹介し、これらの作用の組み合わせが細菌群集の生存に及ぼす影響について考察する。
はじめに
自然界では、細菌は日常的に環境中のストレス因子に遭遇している。ストレス要因には、環境や栄養の変化、抗生物質の導入、侵入してくる微生物や宿主細胞との相互作用などがある（図1a）。これに対して、細菌は多くのストレス耐性機構や応答経路を進化させてきた。しかし、過去数十年の間に明らかになってきたのは、細菌がストレスに対処する方法は、集団内の細胞によって大きく異なる可能性があるということである。例えば、遺伝子発現や増殖速度が細胞ごとに異なることで、一部の細胞がストレス条件下で生き残るためのベット・ヘッジング機構として機能することがある[1]。最も身近な例としては、細菌の生存が挙げられます。遺伝的に同一の細胞からなる集団には2つの亜集団が存在し、一方は抗生物質によって急速に死滅し、他方は耐性を維持します[2]。また、バイオフィルム形成のように、個々の細胞間の相互作用によって集団行動に影響を与える反応機構もある。さらに、自然界に存在する細菌は、混合種の群集で発見され、資源をめぐる競争、毒素の生成、交差摂食、遺伝物質の交換など、無数の影響をもたらしている。これらの現象に共通するのは、単一細胞レベルの影響が、ストレスに対する集団レベルの結果を決定する上で重要な役割を担っていることである。
本総説では、単一細胞レベルと集団レベルの反応の接点に位置するストレス耐性メカニズムの理解における最近の進展について述べる。本論文で取り上げる特定のテーマについては、微生物のストレス応答に関する過去のレビューで詳細な分析がなされている3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11。しかし、ここでは、この分野における最近の成果に焦点を当て、様々なストレス応答メカニズムに共通する点を明らかにし、それらの相互関連について考察を行うことにする。まず、ストレスに対する単一細胞レベルの反応を調べ、次に、バイオフィルムの生産や遺伝子の水平伝播など、単一細胞の影響が集団レベルの行動に与える影響の定量化の進展について議論する。全体として、単一細胞レベルのメカニズムと集団レベルのメカニズムを結びつけることが、微生物コミュニティーがストレスに対してどのように協調して反応するかを理解する上でいかに重要であるかを強調している。
セクションの抜粋
ストレス応答における単一細胞の不均質性
単一細胞の遺伝子発現を定量的に測定することで、細菌がさまざまなストレスに耐えるためのメカニズムについて知ることができる（図1b）。例えば、個々の細菌は、遺伝子発現の動的な変化、遺伝子コピー数の変化、増殖や代謝の違い、あるいは主要タンパク質のレベルの時間的変動などを示すことがあります。これらの要因における細胞間の不均質性により、ストレスに耐えることがより得意な細胞のサブセットが形成される。
集団およびコミュニティレベルのストレス応答
自然界に存在する細菌は複雑な群集を形成しており、この群集は細胞が変化する環境やストレスに耐えるのに役立っています [5]。例えば、最近の研究では、バイオフィルムが抗生物質、他の微生物種、菌株間の資源競争、ウイルス感染から身を守る様式として機能することが強調されている39, 40, 41, 42. バイオフィルムの形成と維持は、多くの細菌が集団で行う行動によってもたらされる特性である。本節では、バイオフィルムの形成と維持に関する研究の進展について紹介する。
まとめ
微生物ストレス応答は、栄養飢餓、化学的ストレス、抗生物質、宿主や他の微生物からの毒素に対処する必要がある、自然の微生物群集の動態において重要な役割を担っている。ここでは、これらのストレス応答の理解における最近の進歩と、この領域をさらに探求するために使用できる新たなツールについて紹介する。また、単一細胞の不均一性、バイオフィルムの構成、微生物群内の相互作用がどのように連携しているかを紹介する。
利益相反に関する声明
特になし。
謝辞
ダンロップ研究室のメンバーの有益な議論に感謝する。この研究は、米国国立衛生研究所（NIH）の助成金R01AI102922によって支援された。
参考文献と推薦図書(72)
F. Díaz-Pascual
大腸菌コロニーの局所的な成長ダイナミクスを決定する空間的なアラニン代謝
eLife
(2021)
N.A. Lerminiaux et al.
臨床環境における抗生物質耐性遺伝子の水平伝播
キャン・ジェイ・マイクロビオール
(2019)
T. Stalder
バイオフィルム内の進化する集団は、より持続的なプラスミドを含む
モル・バイオル・エヴォル
(2020)
K.T. Schiessl
緑膿菌バイオフィルムにおいてフェナジン生産は抗生物質耐性と代謝の不均質性を促進する
Nat Commun
(2019)
A. クマール
高速かつ空間的に等方的なイメージングを実現するデュアルビュー平面照明顕微鏡
Nat Protoc
(2014)
N.M.V. Sampaio et al.
微生物の細胞間不均一性の機能的役割と解析・制御のための新技術
(2020)
J. Yan et al.
コミュニティとして生き残る：バクテリアバイオフィルムにおける抗生物質耐性と持続性
(2019)
C.R.エバンスら
細菌多細胞系における代謝的異質性とクロスフィーディング
(2020)
M. アッカーマン
微生物における表現型不均質性の機能的視点
(2015)
N.Q.バラバン
抗生物質の持続性に関する研究の定義とガイドライン
Nat Rev Microbiol
(2019)
参考文献をもっと見る
引用された記事 (0)
おすすめ記事(6)
研究論文
リグノセルロース系廃棄物からの将来の微生物タンパク質の空間的明示的なプロジェクション
バイオテクノロジー最新研究, 第4巻, 2022年, pp.544-563
要約を表示
研究論文
スピノフィリンは、メタボトロピックグルタミン酸受容体5の足場をシナプス後密度に限定し、細胞種特異的に過剰なグルーミングを媒介する
生物学的精神医学, 2022
抄録を表示
研究論文
GATE/GEANT4モンテカルロシミュレーションによるDigimouseボクセル化ファントムの電子および光子の比吸収割合の推定
応用放射線と同位体、193巻、2023年、第110637号
要約を表示
研究論文
乳房X線画像診断における人工知能
超音波、CT、MRIのセミナー、2022年
抄録を表示
研究論文
B型慢性肝炎患者3世代におけるHLADQ-B1多型の関連性
ウイルス研究、第325巻、2023年、第1990036号
抄録を表示
研究論文
VECネットワークにおける公平性制約を用いたバックアジャストメントに基づく依存タスクオフロードスケジューリングアルゴリズム
コンピュータネットワーク、第223巻、2023年、第109552号