麻布大学 獣医学部 動物応用科学科 食品科学研究室
教授 森田 英利

1. はじめに近の“Nature Review Microbiology”に、この10年乳酸菌として初めて全ゲノム解析が公表された

進展5）についてreviewされているので参照されたの は、2001年 のLactococcus lactis 1） で あ り、いが、乳酸菌の範疇でもLactobacillus rhamnosus

Lactobacillus 属 で 最 初 の 報 告 は、2003年 のの100株の比較ゲノム解析が1つの論文で報告さLactobacillus plantarum である。一方、ビフィれ、1990年代の後半によく耳にした“パラダイムズス菌では、Bifidobacterium longum 3）の全ゲノムシフト”という段階から、さらに次のステージに解析の論文が2002年に初めて公表された。それ入った印象を受ける。1株のcompleteのゲノム配から10年以上が経過した現在、数多くの属、種、列があれば、同種の他の菌株はdraft配列をそのそして菌株の異なる乳酸菌とビフィズス菌のゲノcomplete配列にマッピングすることにより、代ム情報が公開されてきた。その背景には、高速謝、アンタゴニスト、シグナル、機能的特性に至シークエンサーの登場とその後の性能アップが重るまで詳細な比較ゲノム解析できる6）。draft配列要な役割を果たした。それによって、近縁間でのでは、ある遺伝子が存在しないことの証明はでき比較ゲノム解析が可能となり、ゲノム構造の基本ないが、同種のcomplete配列があれば、バイオイ情報（ 組 換 え、IS、 配 列 の 欠 失、 水 平 伝 播、ンフォマティクス的にはdraft配列も十分に解析ファージなど）、代謝系、細胞付着性、感染防御に寄与する。なお、実際のdraft配列の様子を見や免疫賦活効果なども含めた機能性の解明に非常ると、ギャップ（gap）になるのはIS、Tnやリボに貢献してきた。

ソームRNA遺伝領域であり、ORFについてはほ間におけるシークエンス技術と細菌ゲノム研究の2）

無菌マウスを用いた腸管出血性大腸菌O157感

ぼカバーできているのが現状である。

染死モデルにおけるB. longum のO157感染死の予乳酸菌とビフィズス菌の全ゲノム解析により、防効果の作用機序解明の一助として、供試したビ様々なことが明らかになってきたが、ここでは、フィズス菌すべての全ゲノム配列を比較すること以下の2つの項目について述べる。

でフルクトース（果糖）トランスポーター遺伝子の有無の違いを見出した。このフルクトース代謝によって産生される酢酸が、O157感染死を予防するプロバイオティクス効果の作用機序であることが明らかにされた4）。

2. 乳酸菌・ビフィズス菌における全ゲノム解析情報からの知見
従来、乳酸菌やビフィズス菌には“線毛（pili）が1990年代の後半から、細菌の全ゲノム情報かない”という認識があった。これは、集菌作業のら基礎研究を進める体制に対して“パラダイムシ遠心分離で線毛が脱落し易く確認し難かったことフト”という言葉が使われることに共感した。最と、従来から乳酸菌に線毛がないという先入観から、乳酸菌やビフィズス菌の線毛の発見は遅れるミド結合することで、細胞壁に配置固定されることとなった。それが一転して、全ゲノム解析かことが示されている11, 12）。L. rahamnosus GG株

ら得られた情報によって“線毛があるはず”というのSpaCBAにはLPXTG配列があり、sortaseもことで仕事がなされたのである。

コードされているのでこのCWAP配置固定機構が機能している。すなわち、従来から知られて（1）乳酸菌からの線毛の発見

Lactobacillus casei グループのゲノム解析によいたL. rhamnosus GG株の非常に強い付着性の機序は、線毛のadhesionによるものであった。

り、spaCBA がコードするのは菌体表層タンパク

では、“乳酸菌には線毛がある”と言っていい質であるが機能不明とアノテーションされていかというと、そうではないようだ。乳酸菌の範（ATCCた。その後、Lactobacillus rhamnosus GG

疇のゲノム情報も増えているがゲノム既知の情53103）株のゲノム解析7, 8）およびその後の詳細な報に基づくと、Lactobacillus 属でspaCBA を有す機能学的・形態学的な研究9, 10）により、SpaCBAるのは L. casei グループのみであり、線毛を有すは線毛タンパク質であり付着性に関与しているこる乳酸菌は L. casei グループの特徴である13）。ことが明らかにされた。グラム陽性細菌の表層タン

れは、Lactobacillus 属の中で、L. casei グループ

パク質の中には、C末端領域に共通してLPXTGが分化した後、spaCBA 遺伝子が水平伝播してL.

配列を保有し、本配列を介して細胞壁に共有結合casei グループゲノムに入り込み、その後、種のする細胞壁結合タンパク質（CWAP：cell-wall-分化が起きてL. casei グループに特異的な遺伝子

anchored protein）が存在する。CWAPは、宿主群になったと推察される。また、L. casei グルー

組織への付着や宿主細胞への侵入などに密接に関プのSpaCBA（線毛）などの菌体表層タンパク質

与し、CWAPと細胞壁との結合はsortaseと命名の有無は菌種特異的というより、生育環境（哺乳さ れ た 酵 素 に 媒 介 さ れ て い る。CWAPは、動物消化管とか乳環境など）によってその有無にStaphylococcus aureus 表層に提示される過程で、13）。spaC 遺伝子において、違いが生じている（図1）

sortaseによるLPXTG配列の特異的切断を受け、その途中に終始コドンが入ってORFが2つに分断生じたポリペプチド末端がペプチドグリカンにアされている菌株があったが、発現試験を行うと、

図1. 菌体表層タンパク質遺伝子群についての L. rhamnosus ATCC 53103とL. paracasei ATCC
（A）WxLクラスター ; （B）糖鎖構造をもつ菌体表層タンパク質クラスター
334の比較ゲノム解析

図2 negative染色によるLactobacillus
rhamnosus ATCC 53103の線毛（投稿中）（3）乳酸菌の鞭毛について

Lactobacillus 属のいくつかの菌種に鞭毛がみつかっており、従来より形態学的には知られていたよ う で あ る が、O'Tooleら の グ ル ー プ16）に よ り

Lactobacillus ruminis のゲノム情報から鞭毛合成のためのすべての遺伝子が確認された。鞭毛の存
在は運動性との関連が示唆されるので“乳酸菌と運動性”の話題にも展開される。

Lactobacillus 属（乳酸菌）に線毛と鞭毛が確認されたことで“乳酸菌には線毛や鞭毛がない”とはいえなくなったが、線毛遺伝子群spaCBA と同様に、鞭毛遺伝子群も乳酸菌の範疇の限られた菌種が鞭毛をもっているようである。

spaC が分断された2つのORFが複数の菌株で発現しており、それには意味があるのかどうかわから（4）乳酸菌の芽胞について細菌学において、全ゲノム解析は以前から“パないが興味深い。L. rahamnosus GG株ではSpaCBAワフル・ツール”とコメントされることが多々抗体を基盤とした特殊な方法で線毛を検出し7, 9）、あった。線毛や鞭毛では形態学的にはartifactに素晴らしい仕事であるが、我々は L. rahamnosus

見える可能性があっても、ゲノム情報からその有ATCC 53103株においてnegative染色でも線毛を無が確認されると安心であり、重要な情報提供に確認した（図2）。

なる。
我々はセグメント細菌（Segmented Filamentous（2）ビフィズス菌からの線毛の発見

Bacteria：SFB）の全ゲノム解析を行って、SFB最初のビフィズス菌ゲノムの論文の中でには芽胞形成能があることを推定した。その論文

Bifidobacterium longum 3）は線毛を有することが示の中で、詳細なSEMとTEMの電子顕微鏡観察か

唆されていたが、線毛の形態学的な証明はなされらSFBは芽胞を形成していると結論づけた17）。こていなかった。その後、Venturaらのグループ14）

れは16Sリボソーム遺伝子配列による系統樹からは、B. lomgum subsp. longum 、B. lomgum subsp.

芽胞を形成するClostridium 属のクラスター内にinfantis 、B. dentium 、B. animalis 、B. adolescentis 、位置することからも、その妥当性を窺い知ること

B. bifidum から線毛構造の画像を撮影している。

ができる。過去、SFBの形態学的な論文があり

こ の こ と か ら、 ビ フ ィ ズ ス 菌 の 線 毛 は

その鮮明な電顕画像を見ると芽胞が写っている“bifidobateria”の中で保存されており、広く種にが、その論文の中では芽胞形成に関するコメント分布していることが伺える。

はなされていなかった。つまり、それまでの情報

また、B. bifidum の線毛の機能解析が行われ、付着効果と免疫賦活効果が明らかにされた15）。線
毛のこれらの機能に目新しい印象はないが、今ま

では、SFBが芽胞を形成している可能性を論ずることができなかったのだと思われる。
では、乳酸菌は芽胞形成に関して、ゲノム情報でビフィズス菌のプロバイオティクス効果としてからはどういう状況なのであろうか？

認識されていたメカニズムの一部がきちんと証明

る乳酸菌の定義では、“芽胞（内胞子）を形成しなされたことは興味深い。

いこと”とあり、現に芽胞を形成する乳酸菌は例

成書によ外なくみつかっていない。乳酸菌のすべての属は乳動物の消化管からも分離され、生食する野菜Bacilli 網に分類されており、同じBacilli 網に分類や食肉製品からの分離、そして、ヨーロッパでされるBacillus 属の重要な定義は芽胞の形成であは伝統的なチーズ製造のスターターとして利用（Lactobacillales
る。Makarovaら18）は広く乳酸菌されている。すなわち、同菌種のなかで、病原目）のゲノム解析を行い、“先祖乳酸菌は芽胞系性性の有無が菌株レベルで異なっているのである。

能をもっていたことが、数多くの芽胞形成遺伝子

高知県沖で1974年に魚病細菌として分離され群の欠失や疑似遺伝子化から推定できる”とコメた L. garvieae はATCCに寄託され、継代培養中ントしている。生活環境に恵まれた乳酸菌は芽胞にそのATCC 49156はブリ属魚類への病原性を形成する必要がなくなり、不要になった遺伝子を失った。
一方、同じ高知県沖で2002年に L. garvieae

捨てることで進化したものと推察される。

はブリ属魚類に対して強い病原性を示した。そこで、両菌株の全ゲノム配列を決定し、比較ゲ

3．Lactococcus garvieae
における菌株レベルでのブリ属魚類への病原性の有無

ノム解析を行った19）。その結果、図4のゲノム

Lactococcus 属はチーズスターターのLactococcus

違いは莢膜遺伝子群の有無に絞られ、実際に L.

lactis に代表されるように安全性の高い細菌といgarvieae Lg2の莢膜を構成する遺伝子の変異は、う印象があったが、図3と表1のとおり、L. lactis

その毒性を著しく減少させた19）。

マップとゲノムの特徴の様子から、分離場所も考慮し両菌株の先祖は同じだと推察される。そして、ブリ属魚類への病原性を示すかどうかのの近縁種に魚病細菌でありウシ乳房炎やヒトに対また、生食する可能性のあるブロッコリとカする臨床株として注意すべき病原性をもつ同属のイワレから生菌分離された L. garvieae はブリ属

L. garvieae がいる。一方で、本菌種は、健常な哺魚類に対する病原性はなく、莢膜遺伝子群がな

図3 Lactococcus 属とその近縁細菌における全ゲノム公開菌種のribosomal protein のアミノ酸配列から作成した系統樹

表1 Lactococcus garvieae が生菌分離された報告例

図4 L. garvieae ATCC 49156とLg2のゲノムマップとゲノムの特徴
L. garvieae ATCC 49156
1,950,135nt

L. garvieae Lg2
1,963,964nt

0（Mb）

0（Mb）

11

莢膜遺伝子群（16kb）

いことを確認した20）。そして、種々の異なる分離

ト由来株にはその他の分離源の L. garvieae には源からの L. garvieae のdraft配列が公開されてきない遺伝子を多数もっており20）、それが本菌種のたことで比較ゲノム解析が可能となった。それか

病原性を示す対象（生物種）に特異性がある理由とら導かれた情報の1つとして、ヒト臨床株としても推察された。

分離された菌株に莢膜遺伝子群はなかったが、ヒ4. おわりに菌種として提唱し21）、新菌種提唱のルールに基づき公的バイオリソースセンターに寄託した。

高速シークエンサーの進化によって、細菌ゲノ

今年2013年に、パスツール研究所のメンバーは、ムのdraft配列やcomplete配列を得る作業は増え

その L. equicursorisゲノムのdraft配列を決定し、ているが、論文化が追い付いていない現状を実感

彼らの分離した菌株のdraft配列と比較するこする。論文化できないと配列の公開を躊躇するのとで、両菌株が同種であることを結論づけていは 研 究 者 の 普 通 の 思 い で あ ろ う。“Americanる 22）。もちろん、draft配列決定により他にもSociety for Microbiology（ASM）”
が発行する3雑多くの情報が得られるが、菌種の同定にゲノム誌（Eukaryotic Cell、Journal of Bacteriology、配列を決定してしまう時代に突入しているよう

Journal of Virology）の中に“Genome announcement”である。という1コーナーがあったが、現在はその役目を“Genome Announcements”と い う オ ン ラ イ ン

謝辞：ここに記述した知見の多くは、東京大学

Journalが引き受ける形になった。これは、論文

大学院新領域創成科学研究科情報生命科学専化に時間がかかって眠ってしまっているゲノム配攻 服部正平 教授および大島健志朗 特任助教、列公開のきっかけになるという実感をもってい九州大学生体防御医学研究所ゲノム機能制御

る。我々は、2011年に健常なサラブレッドの消学部門 藤英博 特任講師との共同研究によるも化管から分離したLactobacillus equicursoris を新のであり、ここに謝意を表す。

文 献：1）Bolotin A, et al: Genome Res, 11: 731-753（2001）.
2）Kleerebezem M, et al: Proc Natl Acad Sci USA, 100: 1990-1995（2003）.
3）Schell MA, et al: Proc Natl Acad Sci USA, 99: 14422-14427（2002）.
4）Fukuda S, et al: Nature, 469: 543-547（2011）.
5）Parkhill J, et al: Nat Rev Microbiol, 2013, doi: 10.1038/nrmicro3112.
6）Douillard FP, et al: PLoS Genet, 9: e1003683（2013）.
7）Kankainen M, et al: Proc Natl Acad Sci USA, 106: 17193-17198（2009）.
8）Morita H, et al: J Bacteriol, 191: 7630-7631（2009）.
9）Lebeer S, et al: Appl Environ Microbiol, 78: 185-193（2012）.
10）Tripathi P, et al: ACS Nano, 7: 3685-3697（2013）.
11）Mazmanian SK, et al: Science, 285: 760-763（1999）.
12）Ton-That H, et al: J Biol Chem, 275: 9876-9881（2000）.
13）Toh H, et al: PLoS ONE, in press.
14）Foroni E, et al: Microb Cell Fact, 10: S16（2011）.
15）Turroni F, et al: Proc Natl Acad Sci USA, 110: 11151-11156（2013）.
16）Forde BM, et al: Microb Cell Fact, 10: S13（2011）.
17）Prakash T, et al: Cell Host Microbe, 10: 273-284（2011）.
18）Makarova K, et al: Proc Natl Acad Sci USA, 103: 15611-15616（2006）.
19）Morita H, et al: PLoS One, 6: e23184（2011）.
20）Miyauchi E, et al: Int J Microbiol, 2012: 728276（2012）.
21）Morita H, et al: Int J Syst Evol Microbiol, 60: 109-112（2010）.
22）Cousin S, et al: Genome Announc, 1: e00663-13（2013）.