最も小さな古細菌にとって、敵か味方かのゲノムスイッチ
最も小さな古細菌にとって、敵か味方かのゲノムスイッチ
https://jgi.doe.gov/scihi-for-the-tiniest-archaea-a-genomic-switch-of-friend-or-foe/
メタオミクスのデータセットから、CRISPR-Casシステムが、いくつかの古細菌の宿主とそのヒッチハイカーとの相互主義か寄生主義かを決定していることが示された。
ミクロン単位で撮影された灰色の顕微鏡写真。微生物は小さく、丸く、少しとがった形をしている。
Altiarchaea、今回研究した宿主と同属の微生物。(画像はIndra BanasとAlexander Probstの許可を得て使用）。
科学
古細菌の領域には、小さなヒッチハイカーのグループがある。これらの生物は大量に存在するが、非常に小さく、それに見合ったミニゲノムを持っている。そのため、生存に必要な化学物質をすべて処理することはできない。栄養分の不足を補うためには、より大きな宿主（多くの場合、仲間の古細菌微生物）につかまらなければならない。このような宿主とヒッチハイカーがどのように共存しているかを理解することは、より広い生態系への影響を理解する上で重要であるが、このような共生的相互作用を実験室で研究することは難しい。メタゲノミクスは、このような共生関係に新たな視点を与えてくれる。最近、研究者たちは集団ゲノム解析によって、古細菌のヒッチハイカーは寄生虫として働くことが多い一方で、宿主を助ける場合もあることを発見した。
インパクト
地表から数メートル下の地殻内には、地球規模の炭素循環につながる広大な生態系が存在する。古細菌はこの深部生物圏の重要な担い手である。彼らは炭素を効率的に獲得し、利用可能な有機化合物に変換するよう適応してきた。しかし、微生物が単独で働くことはない。古細菌、バクテリア、ウイルスはすべて協調して活動し、地球深部の生態系の基盤を形成している。例えば、ある種のウイルスが攻撃すると、その宿主である古細菌が有機炭素を放出する。このような生物間の複雑な共生を理解することは、地球全体の栄養循環をより深く理解することにつながる。
まとめ
古細菌の宿主とヒッチハイカーがどのように共存しているかをより深く理解するために、研究者たちは宿主であるCa. AltiarchaeumとそのヒッチハイカーであるCa. Huberiarchaeumを研究した。両者とも古細菌のDPANN門に属する。このペアは、世界のまったく異なる地域にある2つの地下生態系に豊富に生息している： アメリカ・ユタ州のクリスタルガイザーと、北海道の幌延深地層研究所である。
両環境のサンプルから、蛍光in situハイブリダイゼーションを用いて、微生物が密接な関係にあることを確認した。次に、ローレンス・バークレー国立研究所（バークレーラボ）にあるDOE（米エネルギー省）科学局ユーザー施設であるジョイントゲノム研究所（JGI）が作成したメタゲノムとメタトランスクリプトーム、および一般に公開されているメタゲノムを用いて、宿主とヒッチハイカーのゲノムの共通性を解析した。
その結果、宿主ゲノムには多種多様なCRISPR-Casシステムが存在することが判明した。一般に、原核生物はCRISPR-Casシステムを使って、自らのゲノムから侵入者のDNAを認識し、除去する。そのひとつであるCRISPR-Cas9システムは遺伝子編集の強力なツールであるが、他にも多くのシステムが存在する。
これら2つの生物のCRISPRスペーサーシステムを調べることで、CRISPR-Casシステムはウイルスやプラスミドなどの感染因子を標的とするという現在の理解を超えた、新たな可能性が示唆された。まず、Ca. AltiarchaeumはCa. Huberiarchaeumを標的とするCRISPR-Casシステムを持っていた。これは、古細菌が他の寄生古細菌から身を守るためにCRISPRシステムを利用している可能性を示している。しかし、Ca. Altiarchaeumが自己標的型CRISPRシステムを保有している場合、代謝モデリングによってCa. Huberiarchaeumは代謝の弱点を補うのに役立つことがわかった。このような場合、DPANNヒッチハイカーは宿主と相互扶助的な関係を形成している可能性が高い。
コンタクト
BER連絡先
ラマナ・マドゥプ博士
プログラム・マネージャー
生物システム科学部門
生物・環境研究部
科学部
米国エネルギー省
Ramana.Madupu@science.doe.gov
PI連絡先
アレクサンダー・プロブスト
デュースブルク・エッセン大学、エッセン、ドイツ
alexander.probst@uni-due.de
資金提供
本研究の一部は、ポール・G・アレン・フロンティア・グループによるアレン特別研究員プログラム、米国科学財団（J.A.D.にMCB-1244557）、米国エネルギー省の資金提供によるローレンス・バークレー国立研究所の持続可能システム科学重点分野（J.F.B.にDE-AC02-05CH11231）の支援を受けた。DOE Office of Science User FacilityであるU.S. Department of Energy Joint Genome Institute (https://ror.org/04xm1d337)が実施した研究（提案doi: 10.46936/10.25585/60000800）は、契約番号DE-AC02-05CH11231の下で運営されるU.S. Department of EnergyのOffice of Scienceの支援を受けている。
出版物