一緒に食べる」微生物が免疫記憶を共有することで利益を得ている可能性
2023年4月6日
編集後記
一緒に食べる」微生物が免疫記憶を共有することで利益を得ている可能性
https://phys.org/news/2023-04-microbes-benefit-immunological-memory.html
ハーバード大学による
メキシコのグアイマス盆地で、海面下2000mの熱水微生物マットのサンプルを採取する遠隔操作車（ROVジェイソン）。Credit: Peter Girguis and E/V Nautilus
ウイルスは、地球上で最も豊富で多様な生物であり、あらゆる生息環境に生息しています。海洋に限って言えば、ウイルスは微生物の10倍以上存在しています。
ウイルスは、人間や動物、昆虫、そして微生物に至るまで、生物に感染することで複製を行います。微生物に感染する環境ウイルスは最近の発見ではないが、しかし、その普及率は以前は知られていなかった。研究者たちは、ウイルスの多様性と生態系における影響や機能について、ようやく理解し始めたところです。
Nature Microbiology誌に掲載された新しい研究では、深海の微生物に感染するウイルスを調査し、ウイルスがこれまで考えられていたよりもはるかに多様な宿主と相互作用している証拠を発見しました。この研究結果は、ウイルスをより深く理解し、ウイルス治療法を開発する上で役立つと期待されます。
筆頭著者である有機進化生物学専攻の博士課程学生Yunha Hwangと上級著者であるPeter Girguis教授は、2021年にメキシコのグアイマス盆地で行われた探検で、深海の熱水噴出孔微生物マットからサンプルを収集しました。これらの微生物マットは、大量のバクテリアと古細菌、これらの生態系で支配的な微生物で構成されています。どちらも微生物ですが、細菌と古細菌は非常に異なる分類群であり、細菌と人間のように互いに異なるものです。
しかし、古細菌とバクテリアの多くは、共生関係によって生存しています。熱水噴出孔では、バクテリアと古細菌が塊を作り、そこに含まれるメタンからエネルギーを得ることができる。このような関係は生存に必要ですが、この2つの系統が生物学的に大きく異なっていることに変わりはありません。そのため、細菌と古細菌の両方が同じウイルスに対する免疫を持っていることを発見したときは、ホワンとギルギスにとってさらに驚くべきことでした。
「というのも、共生しているかどうかにかかわらず、感染機構は非常に複雑で、宿主に特異的であると考えられているからです」（ホワン氏）。古細菌と細菌がこれほどまでに異なるものであるならば、1つのウイルスがなぜ両方に感染できるのだろうか？この疑問から、研究者たちは、ウイルスが微生物と相互作用できる、感染以外の多様な方法について考えるようになりました。
ウイルスに関する研究のほとんどは、研究室で1つの培養液と1つのウイルスを用いて行われてきた。微生物が研究室で培養するのは容易ではないため、さまざまなツールを使用する必要があります。
「自然界に存在するとわかっている微生物の約99％以上は、実験室で培養することができません。そしてそれを使って、"そこに存在するウイルスは何か、その相互作用は何か "を問うことができるのです」。
免疫の水平移動により、ウイルスに対するコミュニティ全体の回復力が高まるという提案モデルのひとつ。出典：BioRenderで作成した画像（Yunha Hwang氏
ジルギスの研究室に入る前、ホワンは砂漠の環境でウイルスを研究し、自然界における宿主とウイルスの相互作用は、実験室での研究よりもはるかに微妙なものであることを観察しました。砂漠の土壌とは対照的に、深海のベントには、何十億もの微生物が共生する大規模な微生物マットがある。このようなユニークな環境を観察する中で、研究者たちは、微生物がこれほど高密度に生息しているのであれば、より広い「宿主範囲」を持つウイルスは存在するのか？つまり、多様な微生物に感染することができるのだろうか？
そこで、研究者たちはサンプルのDNA配列を決定し、微生物とウイルスのメタゲノム集合ゲノムを取得した。さらに、CRISPRスペーサー（微生物の免疫記憶をコード化したもの）を用いて、その微生物がサンプル中のどのウイルスに免疫を持っているかを推測した。
この結果を確認するために、彼らはHi-C（high throughput chromosome conformation capture）シーケンサーと呼ばれる新しい技術を採用しました。細胞内にウイルスDNAが検出された場合、Hi-C技術では、ウイルスと宿主のDNAを架橋して配列することができます。ウイルスDNAと微生物DNAが統計的に有意に接触していることを発見したことで、研究者らは、ウイルスDNAが1種類の細胞だけでなく、系統的に離れた細胞にも存在するという知見を確認することができました。
「CRISPRスペーサー解析とHi-Cデータは、ウイルスが、非常に遠縁の微生物群、特に互いに共生している微生物群とゲノム的に相互作用するという顕著なパターンを示しました」とHwang氏は述べ、「この相互作用により、共生微生物が同じウイルスに対して免疫記憶を持つという非常に興味深い現象が起こります。このような現象は、バクテリアの集団内では見られますが、遠縁の生物種間では見たことがありません。これは、自然環境がいかに相互につながっているかを明らかにするという意味で、非常に重要な発見です」。
"Yunhaは、微生物の密度がめちゃくちゃ高い生息地におけるウイルスの役割をよりよく理解するために、ベント微生物マットを利用した実験を設計したことが非常に賢い "とGirguisは語り、"彼女は、古細菌と細菌の両方のゲノムのパターンを探すことにも非常に思慮深い。CRISPRスペーサーとHi-Cのデータから、細菌が何らかの形で、古細菌と同じウイルスと相互作用していることがわかりました。"これはまったくワイルドです。
この研究は、ウイルスが狭い範囲の宿主と相互作用するという従来の常識に挑戦しています。また、1種類のウイルスがこの2つの全く異なる宿主に感染しているという直接的な証拠はまだ集めていませんが、このデータは、細菌と古細菌の両方が同じウイルスに対して免疫を持っている証拠を明確に示しています。
これらの結果から、HwangとGirguisは、感染にとどまらない生態学的・進化的な意味を持つ宿主とウイルスの相互作用の異なるモデルを提案した。特に、微生物が共生関係にある場合、ウイルスの主要な宿主ではない微生物とのウイルス相互作用が自然界で実際に広まっている可能性があることを示唆しています。「同じウイルスが細菌と古細菌の両方に感染することはまずありえません。その代わりに、ウイルスに感染しない状態で出会ったパートナーのどちらかが免疫を獲得して保持し、共生パートナー間で免疫が水平移動したのだと考えられます」。
自然環境における宿主-ウイルス相互作用の多価性、および感染以外の多様な相互作用様式は、腸のような自然環境におけるウイルス療法など、バイオテクノロジーや医療へのウイルス利用を目指す研究者にとって重要な考慮事項を提示しています。
「自然環境における宿主とウイルスの相互作用は、免疫が大きな系統的距離を越えて、集団間でより大きなウイルス回復力を構築することを示しています」と、ホワンは述べています。
詳細はこちら Yunha Hwang, Viruses interact with host that span distantly related microbial domains in dense hydrothermal mats, Nature Microbiology (2023). DOI: 10.1038/s41564-023-01347-5. www.nature.com/articles/s41564-023-01347-5
ジャーナル情報です： ネイチャー・マイクロバイオロジー
提供：ハーバード大学
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