センジュナマコ類の体壁に生息する未知の共生細菌を発見――深海のナマコに共生するマイコプラズマの仲間の特異なゲノム――
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東京大学
海洋研究開発機構
東北大学・海洋研究開発機構 変動海洋エコシステム高等研究所
発表のポイント
◆深海に生息するセンジュナマコ類の体壁から、細菌叢を優占する新属新種候補の共生細菌を発見しました。
◆この共生細菌は大腸菌の約7分の1という非常に小さなゲノムを持ちます。このコンパクトなゲノムでは、細胞膜や細胞表面に存在すると予測される機能未知のタンパク質群の遺伝子が全体の4分の1以上を占めることが分かりました。
◆これらの発見は、深海底で優占するナマコをはじめとする棘皮動物の体壁に細菌がどのように定着し、宿主と共生しているのかを解き明かす手掛かりになると期待されます。
センジュナマコの体壁に生息する優占細菌とその特徴
概要
東京大学大学院新領域創成科学研究科の吉田 悠大学院生、富永 賢人特任研究員、吉澤 晋准教授、同大学大気海洋研究所の伊藤 萌特任研究員、海洋研究開発機構の西村 陽介研究員、東北大学・海洋研究開発機構変動海洋エコシステム高等研究所の長谷川 万純ポストドクトラル研究員、目黒寄生虫館の髙野 剛史研究員、沖縄科学技術大学院大学の和田 直久スタッフサイエンティスト、国立科学博物館の小川 晟人特定非常勤研究員、九州大学の後藤 恭宏助教（研究当時）、林 哲也教授（研究当時）、東京科学大学の伊藤 武彦教授らの研究グループは、深海に生息するセンジュナマコ類（Scotoplanes）の体壁（注1）に優占する未知の共生細菌を発見し、そのゲノム（注2）の特徴と宿主組織内での分布を明らかにしました。
本研究では、東北海洋生態系調査研究船「新青丸」と学術研究船「白鳳丸」を用いて北西太平洋の北日本沖で採集したセンジュナマコ類3種5個体を対象に、DNA解析とFISH法（注3）を組み合わせ、体壁に生息する細菌を調べました。その結果、新属新種候補（注4）の細菌が体壁細菌叢（注5）の大部分を占めることが分かりました。また、蛍光顕微鏡観察により、この細菌が体壁の外側に近い組織内に集まって存在することを確認しました。さらに、この細菌は約65万塩基対の小さなゲノム（大腸菌の約7分の1）を持ち、解糖系（注6）をはじめとする多くの代謝経路に必要な遺伝子を欠く一方で、細胞表面に存在すると予測される機能未知のタンパク質の遺伝子群が、ゲノム全体の4分の1以上を占めることが明らかになりました。
本研究の成果は、センジュナマコをはじめとする深海底で優占する棘皮動物（注7）の体壁で特定の細菌が優占する仕組みや、深海における宿主と細菌の共生関係を理解するための新たな手掛かりとなることが期待されます。
発表内容
深海底ではヒトデやナマコなどの棘皮動物が優占しています。これらの棘皮動物では、体の表面を覆う薄い層の下に細菌が生息することが知られています。しかし、これらの細菌がどのような性質をもち、宿主とどのような関係を築いているのかは、十分に分かっていません。本研究では、深海底に広く分布し、海底にたまった有機物を食べるセンジュナマコ類に注目し、DNA解析とFISH法を組み合わせて、体壁に生息する細菌を調べました。
研究グループは、北西太平洋の岩手県沖および北海道沖の3地点で採集したセンジュナマコ類3種（Scotoplanes theeli, Scotoplanes hanseni, Scotoplanes kurilensis）5個体を調べ、これまでに知られている細菌とは大きく異なるマイコプラズマ門細菌のDNA配列を発見しました。いずれの個体の体壁でも、この細菌が細菌叢を優占していました（76.4～98.9%）。また、Scotoplanes hanseniの体壁をFISH法で観察した結果、今回発見した共生細菌が体壁の外側に近い組織内に集まって存在することを確認しました。
次に、この共生細菌のゲノムを解析したところ、約65万塩基対の小さな環状ゲノムを持ち、糖を分解してエネルギーを得る解糖系など、多くの代謝経路に必要な遺伝子が欠けていることが分かりました。このことから、この共生細菌は宿主の体壁内の環境から得られる栄養に依存していると考えられます。
一方、ゲノム全体の27.6%を、細胞表面に存在すると予測される機能未知のタンパク質の遺伝子群が占めていました。これらのタンパク質には、5,000アミノ酸を超える長大なタンパク質も含まれ、立体構造を予測したところ、似た形の部分構造が繰り返し現れるという特徴が見いだされました（図1）。
さらに、近縁な共生細菌のゲノムの解読にも成功し、得られた2つのゲノムを比較しました。その結果、これらのタンパク質をつくる遺伝子の多くは、ウイルスなどから細菌を守る防御関連遺伝子の集まる領域の近くに存在し、その周辺の遺伝子構成が2つのゲノム間で異なることが分かりました。このことから、ゲノムの一部で生じる変化が、細菌の表面に存在すると予測されるタンパク質の種類や構造の違いを生み出す可能性が示唆されました。
これらのタンパク質は、細菌同士の集合や宿主組織との相互作用に関わる可能性があります。ただし、その具体的な働きや、共生がナマコに利益をもたらすかどうかについては、今後の検証が必要です。また、遺伝情報に基づく分類の結果、この共生細菌を新属新種候補「Candidatus Abyssoplasma scotoplanesicola」（アビソプラズマ スコトプラネシコーラ）として提案しました。本研究の成果は、棘皮動物の体壁で特定の細菌が優占する仕組みや、深海底における宿主と細菌の共生関係の進化を理解するための新たな手掛かりとなります。
図1：細胞表面に配置されると予測されたタンパク質群の模式図
色付きのブロックは構造予測に基づいて区分した部分構造を示します。SPはタンパク質が細胞外へ運ばれる目印となる領域、TMは細胞膜を貫通する領域です。
発表者・研究者等情報
東京大学
大学院新領域創成科学研究科 自然環境学専攻
吉田 悠 博士課程
富永 賢人 特任研究員
吉澤 晋 准教授
兼：同大学大気海洋研究所
大気海洋研究所
伊藤 萌 特任研究員
海洋研究開発機構
生命地球科学研究部門
西村 陽介 研究員
東北大学・海洋研究開発機構 変動海洋エコシステム高等研究所(WPI-AIMEC)
長谷川 万純 ポストドクトラル研究員
目黒寄生虫館
髙野 剛史 研究員
沖縄科学技術大学院大学
和田 直久 スタッフサイエンティスト
国立科学博物館
分子生物多様性研究資料センター
小川 晟人 特定非常勤研究員
九州大学
後藤 恭宏 助教（研究当時）
林 哲也 教授（研究当時）
東京科学大学
伊藤 武彦 教授
論文情報
雑誌名：ISME Host Microbe
題 名：Genomic, spatial, and evolutionary insights into a dominant Mycoplasmatota symbiont colonizing the body wall of deep-sea holothurians（11月11日付掲載）
著者名：Yu Yoshida†, Yosuke Nishimura†, Hajime Itoh, Masumi Hasegawa-Takano, Tsuyoshi Takano, Naohisa Wada, Kento Tominaga, Akito Ogawa, Wataru Iwasaki, Yasuhiro Gotoh, Takehiko Itoh, Tetsuya Hayashi, Susumu Yoshizawa
†共同筆頭著者。責任著者：Yosuke Nishimura、Susumu Yoshizawa
DOI: 10.1093/ismehm/aazag018
URL: https://doi.org/10.1093/ismehm/aazag018
研究助成
本研究は、日本学術振興会 科学研究費助成事業（JP22H00557、吉澤 晋）および科学技術振興機構 次世代研究者挑戦的研究プログラム（JPMJSP2108、吉田 悠）の支援により実施されました。
用語解説
（注1）体壁
体の外側を形づくる組織のこと。ナマコでは、体表を覆う薄い表皮や、その内側にあるコラーゲンを多く含む層、筋肉層などからなる。マナマコなどの食用種では、食用にされる部位である。
（注2）ゲノム
生物が持つ遺伝情報の全体を指す。DNAの塩基配列として記録され、タンパク質をつくるための情報（遺伝子）などが含まれている。ゲノムの大きさは塩基対を単位として表す。
（注3）FISH法
特定の塩基配列に結合する蛍光の目印を用いて、目的の細菌などがどこに存在するかを顕微鏡で調べる方法。本研究では、蛍光シグナルを増幅する手法を用いて、共生細菌の分布を観察した。
（注4）新属新種候補
既知の属や種とは異なり、新たな属・種に分類されると考えられる細菌。培養株が得られていないなど命名の条件を満たしていない段階では、暫定的な表記として「Candidatus」が用いられる。
（注5）体壁細菌叢
ナマコなどの動物の体壁に生息する細菌の集まり。さまざまな種類の細菌から構成され、その種類や割合は宿主や環境によって異なる。
（注6）解糖系
糖を段階的に分解する代謝経路の一つ。多くの生物で、生命活動に必要なエネルギーを得るために利用されている。
（注7）棘皮動物
ヒトデ、ナマコ、ウニ、クモヒトデ、ウミユリなどを含む、海に生息する無脊椎動物のグループ。深海底では重量においてしばしば生態系中の半分以上を占めることが知られている。
