2022 年 5 ⽉ 10 ⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学

⻩⾊ブドウ球菌が抗⽣物質耐性を獲得・伝搬する仕組みを解明
抗⽣物質が効かない薬剤耐性細菌の発⽣と伝播は、世界中で⼤きな問題となっています。その代表格ともいえる⻩⾊ブドウ球菌については、菌体が SCCmec と呼ばれる⼤きな遺伝⼦群を獲得して、抗⽣物質メチシリンに対する耐性を持つ⻩⾊ブドウ球菌（MRSA）になることが知られていますが、SCCmec がどのような仕組みで伝播していくのかは、過去半世紀に渡る⼤きな謎です。
本研究では、細菌分⼦遺伝学的⼿法を⽤いて、バイオフィルム（微⽣物がコミュニティーを作って増殖した膜状のもの）が形成された際に、⾃然形質転換によって異種の間で SCCmec が伝播する仕組みを世界で初めて明らかにしました。具体的には、⼆成分制御系と呼ばれる環境応答遺伝⼦群の変異株を網羅的に作成し、①バイオフィルム形成に関わる⼆成分制御系遺伝⼦ AgrCA と BraSR が、⻩⾊ブドウ球菌の⾃然形質転換遺伝⼦の発現に必要であること、②バイオフィルム形成下で⾃然形質転換遺伝⼦が発現し、SCCmec が個体に取り込まれ定着すること、③バイオフィルム形成下で、抗⽣物質に感受性の⻩⾊ブドウ球菌が、別株の MRSA や異種のブドウ球菌から SCCmec を獲得して、MRSA となることが分かりました。
加えて、抗⽣物質の使⽤が、⾃然形質転換による SCCmec 獲得の効率に与える影響も⽰しました。
本研究成果は、薬剤耐性⻩⾊ブドウ球菌を⽣み出さない治療⽅法の確⽴に向けた基盤的知⾒となると期待されます。

研究代表者
筑波⼤学医学医療系
森川 ⼀也 教授!
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研究の背景これまで、⼈類には、抗⽣物質の乱⽤によって多くの多剤耐性菌（複数の抗⽣物質に耐性を持つ細菌）を⽣んできた歴史があり、多剤耐性菌は今この瞬間にも世界のどこかで⽣まれています。抗⽣物質の効かない薬剤耐性細菌の発⽣と伝播は、世界中で⼤きな問題となっています。⼀般に、薬剤耐性菌が⽣まれるメカニズムとして、①遺伝⼦の突然変異（抗⽣物質のターゲットが変化して薬が効かなくなる）、②外来遺伝⼦の獲得（抗⽣物質が効かない代替遺伝⼦を獲得する）、の 2 つが知られています。薬剤耐性菌の代表格ともいえるメチシリン耐性⻩⾊ブドウ球菌（Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus (MRSA)）
は、②の外来遺伝⼦の獲得によって⽣じます。外来遺伝⼦の獲得メカニズムには、ファージ（細菌に感染するウイルス）が遺伝⼦を運び込む⽅式（形質導⼊など）、菌体同⼠が直接つながって DNA を移動させる⽅法（接合）、菌体が外来 DNA を直接取り込む⽅式（⾃然形質転換）などがあります。
MRSA は、SCCmec（Staphylococcal Cassette Chromosome mec）と呼ばれる⼀連の薬剤耐性発揮に必要な遺伝⼦を持つ⻑い DNA（20 キロ塩基対注１）から 60 キロ塩基対）を取り込むことで⽣まれますが、45 キロ塩基対以上の⻑い DNA は、ファージにとってはサイズが⼤きすぎて⾃⾝に格納できないことから形質導⼊が成⽴しません。接合で伝達させる試みも完全には成功しておらず、これも SCCmec の伝達メカニズムとして認められるには⾄っていません。そして、⻩⾊ブドウ球菌では、近年まで⾃然形質転換は観察されず、起こらないものだとされてきました。⼀⽅、本研究グループはこれまでに、極めて特殊な環境条件で、極めて少ない割合の⻩⾊ブドウ球菌が形質転換に必要な遺伝⼦群を発現し、外来 DNA（精製した DNA）を菌体に取り込み、かつ、⾃⾝のゲノム DNA に定着させることができる可能性を⽰唆しています。しかし、この現象が⾃然に発⽣する環境条件は不明であり、また、細胞間の⾃然形質転換による SCCmec の伝播も⽰すことができていませんでした。
研究内容と成果
本研究は、細菌分⼦遺伝学的⼿法注２）を⽤いて、バイオフィルム（微⽣物がコミュニティーを作って増殖した膜状のもの）の形成下で、⾃然形質転換によって異種の細菌間で SCCmec が伝播することを世界で初めて明らかにしました。まず、この現象が発⽣する環境条件を探索するため、⻩⾊ブドウ球菌が持つ、⼆成分制御系と呼ばれる環境応答・転写制御の⼀連の遺伝⼦群に着⽬し、これらを⼀つずつ網羅的に⽋損させた細菌株を作成して検証しました。その結果、バイオフィルム形成に関与する AgrCA と BraSRという⼆成分制御系遺伝⼦が、⾃然形質転換に必要な遺伝⼦群の発現に必要であることを⾒いだしました。続いて、⻩⾊ブドウ球菌にバイオフィルム形成させると、⾃然形質転換に必要な遺伝⼦群の発現が向上し、実際に SCCmec を取り込んでゲノム DNA に定着させることを証明しました。さらに、バイオフ
ィルム形成下において、別株の MRSA や別種で SCCmec を持つ菌体から、SCCmec が伝播し、もともとメチシリン感受性であった⻩⾊ブドウ球菌が SCCmec を獲得して MRSA へと変化することを突き⽌めました。このように、過去半世紀にわたって不明であった MRSA が⽣まれる仕組みが、バイオフィルム中の⾃然形質転換である可能性が⽰されました。
また、上記の⼆成分制御系の中で、抗⽣物質耐性に関わる遺伝⼦の⽋損も、⾃然形質転換遺伝⼦の発現に影響を与えたことから、抗⽣物質によって⾃然形質転換能⼒が変化するか検証したところ、バシトラシンという抗⽣物質では形質転換遺伝⼦の発現が抑制されました。このことから、使⽤するの抗⽣物質の種類によって、薬剤耐性菌の発⽣を減速させたり加速させてしまう可能性が⽰唆されます（参考図）。

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今後の展開本研究成果は、多剤耐性菌の発⽣を抑えながら感染症を治療したり、畜産における抗⽣物質をより適切に利⽤する上で応⽤できると考えられます。本研究では、SCC の切り出しおよび組み込みに必要な遺伝⼦ ccrAB が、SCCmec の⾃然形質転換に必要であることも⽰しており、MRSA 発⽣の詳細な仕組みが明らかになりつつあります。今後、解明した環境条件（バイオフィルムや抗⽣物質使⽤）における MRSA発⽣について、さらに解析を進める予定です。
参考図

図 本研究の概要
本研究では、⼆成分制御系の遺伝⼦（AgrCA, BraSR, TCS7, SrrAB, VraSR）や抗⽣物質（バシトラシン）が、バイオフィルム形成や⾃然形質転換遺伝⼦の発現を制御し、メチシリン耐性に必要な SCCmec の⾃然形質転換の誘導を促進したり抑制したりしていることが明らかとなった。バイオフィルム中では、
SCCmec を有する菌体から、SCCmec のメチシリン感受性⻩⾊ブドウ球菌（MSSA）への⾃然形質転換による伝播が進み、MSSA がメチシリン耐性⻩⾊ブドウ球菌（MRSA）に変化する。
⽤語解説
注１）

キロ塩基対

DNA の⻑さを、構成する塩基対の数を基に表す単位で、塩基対が 1000 個連なったものが 1 キロ塩基対。20 キロ塩基対から 60 キロ塩基対の分⼦の⻑さは、およそ 6.8 µm〜20.4µｍ程度。
注２）

細菌分⼦遺伝学的⼿法

細菌を対象に、特定の遺伝⼦を発現させたときに⽣じる変化を調べることによって、遺伝現象の仕組みを分⼦レベルで理解する研究⼿法。
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研究資⾦
本研究は、科研費、JSPS ⼆国間交流事業、武⽥科学振興財団、ワックスマン財団、ファイザーアカデミックコントリビューション、MEXT テニュアトラック普及事業、他、の⽀援を受けて実施されました。
掲載論⽂【題名 】 Natural transformation allows transfer of SCCmec-mediated methicillin resistance in

Staphylococcus aureus biofilms.
（⾃然形質転換が⻩⾊ブドウ球菌バイオフィルム中で SCCmec 媒介のメチシリン耐性を伝達する）【著者名】 Mais Maree, Thi Nguyen Le Thuy, Ryosuke L. Ohniwa, Masato Higashide, Tarek Msadek,
and Kazuya Morikawa【掲載誌】 Nature Communications【掲載⽇】 2022 年 5 ⽉ 5 ⽇【DOI】

10.1038/s41467-022-29877-2

問合わせ先【研究に関すること】
森川 ⼀也（もりかわ かずや）
筑波⼤学医学医療系感染⽣物学（微⽣物学） 教授
URL: https://www.md.tsukuba.ac.jp/basic-med/infectionbiology/microbiology/【取材・報道に関すること】
筑波⼤学広報室
TEL: 029-853-2040
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp

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