バクテリオファージのホストを推測する HostPhinder

　2012年、世界保健機関（WHO）は抗生物質時代の終焉の始まりと、ささいな細菌感染でさえ致命的になる時代に戻りうることを発表した[論文より　ref.3]。それ以来、抗生物質耐性の問題は増大し続けており、WHOレポート「Antimicrobial resistance: global report on surveillance 2014」で「黙示録的な幻想ではなく、21世紀は一般的な感染症や軽傷により死に至るpost-antibiotic な時代になる可能性が現実的にある」[ref.4]と述べられている。 WHOによって強調されるように、代替治療選方法の急速な必要性が出てきており、その一つがバクテリオファージ（ファージ）である。細菌感染症の治療にファージを使用するという考えは、フランスのカナダの微生物学者、フェリックス・デレール（Félix d’Herelle）が重度の細菌性の赤痢患者を治療するために使用した1919年にさかのぼる。いくつかの歴史的理由から、ファージ治療は西部では一般的な慣行にはならなかったが、以前の東部圏の国では広範に使用されていた[ref.6,7,8,9]。欧米からのいくつかの最近の研究は、抗生物質治療としてのファージの有効性を実証しており[ref.10,11,12,13]、現在、より多くの国がファージ治療を再考している[ref.14,15]。ファージはさらに、農業および食品産業での使用が示唆されている[ref.16,17]。例としては、ブロイラーニワトリのCampylobacter jejuniコロニー形成と牛乳中のE.coliの増殖を減少させるためのそれらの使用が挙げられる[ref.19]。

　ファージがバクテリア宿主にうまく感染するためには、ファージは、特異的宿主受容体、例えばタンパク質、LPS、または細胞壁多糖類を認識してバクテリアの表面に吸着しなければならない。しかしながら、適切な表面レセプターへのファージの吸着は、感染成功に必要な第1段階に過ぎない。Restriction-Modificationシステム（制限修飾系）は、シーケンシングされたバクテリアゲノムの90％以上に存在することが示されている[ref.20]。これらの系は、適切な標的配列を有する入ってくるファージDNAを分解する制限酵素を含む。いくつかのバクテリアは、適応性のある抗ファージ免疫系をコードするClustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats（CRISPR）遺伝子座を含む。これはCRISPR関連遺伝子（cas）と一緒に共に存在している。Phage abortive systems（Abiシステム）は、感染した細菌が「利他的自殺」を行い、それによって細菌のコミュニティ内でのファージの拡散を防ぐことを可能にする[ref.22]。遺伝子転写やアミノ酸やtRNAの利用可能性に基づく翻訳などの他の要因によって、宿主の範囲はさらに制限される[23]。バクテリアとファージは、その共存の開始から複雑な共進化プロセスに至る激しい武器競争に巻き込まれており、上記の防御メカニズムのそれぞれについて、それらを回避するために進化したファージの例が存在する[ref.24,25]。この武器競争（ arms race）は、バクテリアおよびファージの多様性に寄与しており[ref.26]、ファージ宿主の決定は、ファージゲノム全体に分布する複数の遺伝子およびゲノムの特徴に影響される。ほんのわずかの変異[ref.27]に基づいて宿主範囲を拡大したファージの例が存在するが、延長範囲は、通常、同じ種の異なる株に限定される。Escherichia属、, Shigella属、Klebsiella属などの腸内細菌科などの系統の異なるEnterobacteriaceae属に感染することができる多価腸内細菌ファージは別として、ほとんどのファージは特定の属に特異的であることが判明している[ref.30] 。これは、完全にシーケンシングされたファージゲノムに基づいた「ファージプロテオームツリー」ref.32）、およびマイコバクテリオファージのゲノムタイプの分析および宿主選好のように、プロテオーム全体ではなくタンパク質を調べる研究によって示されている[ref.33] 。

　この研究では、遺伝的に類似のファージがしばしば同じ細菌宿主種を共有するという観察から、ホストがわかっている既知のファージのデータベース中を使い、最も遺伝的に類似したファージを検索することによってファージの宿主種を予測することが可能であるはずであるという仮説を立てる。それから開発された手法HostPhinderは、データベースのファージとクエリのファージ間で共有されるk-merの数として遺伝的類似性を探索する。 K-mersは長さkのDNAであり、遺伝的関連性の尺度としてのそれらの使用は、系統のツリーの別個の枝としてArchaeaを発見したWoese and Foxと1977年の画期的な論文にまでさかのぼる[ref.34] 。 WoeseとFoxは、16S（18S）リボソーム RNAにおいて、それらの分析をk-merに限定した（オリゴヌクレオチドという用語を使用していた）が、ファージは16S rRNA遺伝子またはすべてのファージに共通する他の遺伝子を持たない。また高スループットシーケンシングによりファージの全ゲノムが容易に利用可能になったので、HostPhinderは完全なゲノムを調べる。さらに、バクテリアについては、以前ゲノム全体にわたるk-merの共起が、遺伝的関連性を推測する他の全ゲノムまたは単一遺伝子座に基づくアプローチよりも優れていることが示されている[ref.35]。ファージゲノム全体が重複するk-merに分割されることは、高度にモザイク状のファージゲノム構造[ref.36,37]との関連においてさらに有利であり得る。

　我々（著者ら）は、ファージの細菌宿主の予測を可能にする方法がいくつかの理由で有用であると考えている。第一に、ファージは、長年にわたり、旧東部ブロックに属する国の細菌感染を治療するために使用されてきた。ジョージア州トビリシのEliava研究所（map）は、特にこの点で支配的であり、様々なバクテリア感染のためファージmixtureを含むカクテルを生産している。西洋でファージ療法を採用する段階の1つは、これらのカクテルの内容の完全な特徴付けである可能性が高い、それは製造方法が知られていないためである[ref.38]。さらに、多くの生態学的ニッチを探究するための現在のアプローチは、環境から直接単離された試料の非ターゲットシーケンシング、いわゆるmetagenomicsによって行われる。これにより、ファージとバクテリア配列間の関係を知らなくても同定することが可能になり、重要なことにバクテリア、したがって培養できないファージの同定も可能になる。 HostPhinderはファージとバクテリア間のつながりを確立するのに役立つ。これはヒト腸内微生物などの理解に重要なステップであり、おそらくは微生物とヒト宿主の臨床パラメーターの理解に関連するかもしれない[ref.39]。

使い方

https://cge.cbs.dtu.dk/services/HostPhinder/ にアクセスする。

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