微生物ゲノム

微生物学の歴史
Anton van Leeuwenhoek（1632-1723)
1674年頃 -アントニー・ファン・レーウェンフック（オランダ人）の顕
微鏡（ 200倍）観察により、微生物が発見された。
微生物ゲノム
Louis Pasteur（1822-1895) ロベルト・コッホとともに「近代細菌学の開祖」
1857年 ‒ ルイ・パスツールが、「すべての発酵過程は、微生物活
動に基づくものである」ということを発表した。
1860年 - パスツールが白鳥の首フラスコを用いて「自然発生説」を
否定する。
白鳥の首フラスコ
Robert Koch（1843-1910)
パスツールとともに「近代細菌学の開祖」
炭疽菌、結核菌、コレラ菌の発見者
1876年 ‒コッホによって炭疽の原因となる炭疽菌（Bacillus
anthracis ＝バチルス・アンスラシス）が分離され、その病
原性が証明された。 Barry James Marshall (右)（1951-）
2005年「ヘリコバクター・ピロリの発見と胃炎と十二指
腸潰瘍における役割」でロビン・ウォレン（左）と共に
ノーベル生理学・医学賞を受賞。現在西オーストラリ
ア大学にてヘリコバクター・ピロリに関連する研究を
続けている。⇒培養できたから認められた。
ヘリコバクター・ピロリ
コッホの四原則（感染症の病原体を特定する際の指針）
1. 
2. 
3. 
4. 
ある一定の病気には一定の微生物が見いだされることその微生物を分離できること分離した微生物を感受性のある動物に感染させて同じ病気を起こさせること
その病巣部から同じ微生物を分離されること
しかし。最近ではコッホの原則で証明できない感染症の存在も明らかになった。ヒトに
病気を起こす病原微生物が必ずしも実験動物でも病気を起こすとは限らない。
・ヒトに病気を起こす病原微生物が、必ずしも実験動物でも病気を起こすとは限らない
・日和見感染のように、その微生物が存在しても必ずしも発病しない場合がある。細菌のゲノム
微生物のゲノム解析
・ゲノムサイズはヒトの1/1000 ：∼10Mb（1000万塩基）
・遺伝子数はヒトの1/10：ゲノムの約80％は遺伝子
・細菌ゲノムの大部分は環状DNA
最初の細菌ゲノム解読
1995年アメリカのグループインフルエンザ菌（Haemophilus influenzae）
mRNA
約1.8 Mb
約2000遺伝子
たんぱく質
N
C
機能予測ができる遺伝子：60∼80％
保存されていない（菌特異的）遺伝子：10∼25％
インフォマティクス技術が研究qualityを大きく左右する
Table. Genomes of various bacteria�
Species�
��
��
Chromosome�
表. 細菌ゲノムの一般的な注釈付け例�
��
Genome
size（Mb）�
Gene number in GC-content
chromosome�
(%)�
根粒菌（Bradyrhizobium japonicum USDA 110）
Circular single�
9.11
8,317
64
放線菌（Streptomyces avermitilis）
Linear single�
9.03
7,574
71
大腸菌（Escherichia coli O157:H7 str. Sakai）
Circular single�
5,361
��
常在性大腸菌
SE15株�
Lactobacillus
rhamnosus ATCC
53103株�
Streptomyces
avermitilis
サイズ（Mb）�
4.7
3.0
9.0
51
GC含量（％）�
50.7
46.7
70.7
4,832
45
たんぱく質をコードする遺伝子（合計）�
4,338
2,836
7,574
4,288
51
��機能注釈された遺伝子�
2,796
1,865
4,563
1,375
610
2,722
大腸菌（Escherichia coli K12 MG1655）
5.50
5.17
Circular two�
(3.29+1.88）�
Circular single�
4.64
結核菌（Mycobacterium tuberculosis H37Rv）
Circular single�
4.41
3,988
65
シアノバクテリア（Synechocystis sp. PCC6803）
Circular single�
3.57
3,632
48
��保存されている機能未知遺伝子�
ヒト常在細菌（Bifidobacterium longum subsp. longum
NCC2705）
Circular single�
2.26
1,727
60
��ユニークな機能未知遺伝子�
75
287
273
ヒト常在細菌（Lactobacillus reuteri JCM 1112）
Circular single�
2.04
1,820
38
シロアリ共生細菌（Rs-D17）
Circular single�
1.13
761
35
��ファージ関連遺伝子�
92
74
16
細胞内寄生病原菌（Mycoplasma pneumoniae M129） Circular single�
0.82
736
40
IS (Insertion sequence)
34
70
99
アブラムシ共生細菌（Buchnera sp. APS）
Circular single�
0.64
683
26
tRNA遺伝子�
84
56
68
キジラミ共生細菌（Carsonella ruddii）
Circular single�
0.16
182
17
rRNA遺伝子（16S-23S-5Sオペロン）�
22
5
6
腸炎ビブリオ（Vibrio parahaemolyticus）
細菌ゲノムの構造表記
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/grace/generin.cgi
もっとも外側から: サークル 1 と 2 ：＋鎖と＝鎖中それぞれに存在するたんぱく質をコードする遺伝子
の位置。サークル3: ファージ関連配列、サークル4: IS配列、サークル5 ：tRNAとrRNA 遺伝子、サー
クル6：GC skew [(G ‒ C)/(G + C)の正負の値で示す. サークル 7 ：G + C 含量の平均値＝xx%に対する
割合のプロット。
複製開始点
複製終結点
List of functional
categories
原核生物にはほとんどない
INFORMATION STORAGE AND PROCESSING
[J] Translation, ribosomal structure and biogenesis
[A] RNA processing and modification
[K] Transcription
[L] Replication, recombination and repair
[B] Chromatin structure and dynamics
CELLULAR PROCESSES AND SIGNALING
[D] Cell cycle control, cell division, chromosome partitioning
[Y] Nuclear structure
[V] Defense mechanisms
[T] Signal transduction mechanisms
[M] Cell wall/membrane/envelope biogenesis
[N] Cell motility
[Z] Cytoskeleton
[W] Extracellular structures
[U] Intracellular trafficking, secretion, and vesicular transport
[O] Posttranslational modification, protein turnover, chaperones
METABOLISM
[C] Energy production and conversion
[G] Carbohydrate transport and metabolism
[E] Amino acid transport and metabolism
[F] Nucleotide transport and metabolism
[H] Coenzyme transport and metabolism
[I] Lipid transport and metabolism
[P] Inorganic ion transport and metabolism
[Q] Secondary metabolites biosynthesis, transport and catabolism
POORLY CHARACTERIZED
[R] General function prediction only
[S] Function unknown
原核生物と真核生物の遺伝子機能（COG, KOG）分布
Prokaryotic (COG) and eukaryotic (KOG) orthologous gene clusters
http://www.genome.ad.jp/kegg/
Tryptophan metabolism
KEGG
The database for
metabolic pathway
比較ゲノム
腸管出血性大腸菌 O157と非病原性大腸菌 K-12 腸管出血性大腸菌 O157
( 5498 + 96 Kb )
グラム陰性
非病原性大腸菌 K-12
( 4639 Kb )
共通
4105
Kb
(3729 遺伝子）
0157に特異的
1,400 + 100 Kb
1632 + 86 遺伝子
K-12 に特異的
500 Kb
大部分は外来性
567 遺伝子
Insertions and deletions in the alignment of O157 and K12 sequences Dot-plot analysis between E. coli O157 and K12 chromosomes Replication terminal point
4,105 kb (3,729 genes）
O157
bp
Replication initiation point
Kb
K12
K12
4.1 Mb sequences shared between O157 and K12
bp
Red and dotted lines indicate phage and phage-like sequences.
Stx1、Stx2、LEE indicate regions in which two Shiga toxin genes and genes for type III
secretion system.
O157
Type III Secretion System (TSS)
病原細菌が宿主細胞に感染する基本的しくみ
宿主細胞
たんぱく質分解酵素
病原菌
ゲノム
膜たんぱく質
（宿主免疫回避）
Effector proteins
Membrane of
host cell
付着因子
毒素因子
エフェクター
べん毛
分泌装置
細胞への付着
たんぱく質の分解
たんぱく質合成の阻害
宿主細胞内のかくらん
など
Bacterial surface
病原島
Gram-negative bacteria
Host cell
病原細菌
More than 20 proteins
Outer membrane
Peptideglycan
Inner membrane
Effectors: Bacterial virulent proteins that disturb host cell machineries in various manners
病原ゲノムと病原島（pathogenic islands）
ウェルシュ菌 (Clostridium perfringens)と非病原性クロストリジウム
の比較ゲノム
グラム陽性
ウエルシュ菌
（病原性クロストリジウム）
3 Mb
非病原性クロストリジウム
共通
2000 遺伝子
860 + 63 遺伝子
1684 + 178 遺伝子
病原性関連遺伝子
病原性関連遺伝子
毒素（ 8 種＋α）
蛋白質分解酵素（ 3 種）
ヒアルロン酸分解酵素（ 5 種）
シアル酸分解酵素（ 2 種）
腸管毒素（ 2種）
組織結合タンパク質（ 2 種＋α）
……….
各種のアミノ酸合成系
（−）or （少数）
全てのアミノ酸合成系（＋）
hisABDFGHI, leuBCD,
thrC, argCJ, ilvDN,
trpABCD, glnA, ………
（−）or （不完全）
Genomic islands
（ゲノム島）
Horizontal gene transfer (遺伝子の水平伝播)
Lactobacillus
GI
Probiotic
Non-probiotic
ReuterinとVitamin B12生合成系遺伝子群を含むgenomic island
有用細菌：放線菌（Streptomyces avermitilis）ゲノム解析
Secondary metabolite clusters: 30 (Total length ca. 580 kb, ca 6.43 % of genome)
池田ら Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98, 12215-12220 (2001)
Nature Biotech. 21, 526-531 (2003)
放線菌Streptomyces属のゲノム構造
エバーメクチン（抗寄生虫剤）：１９８０年発見
比較ゲノム
Streptomyces coelicolor
Streptomyces avermitilis
Streptomyces griseus
アフリカ風土病であるオンコセルカ症の特効薬、予防薬。
予防のため毎年４５００万人が服用（WHOーメルクー北里研
究所、無料）。
直鎖状染色体
最もゲノムサイズが大きい細菌種
Streptomyces griseus
オンコセルカ症（英名リバーブラインドネス、和名河川盲目症）
Non-conserved
Conserved region
Non-conserved
最近では、沖縄県や鹿児島県・奄美大島に多い糞線虫症
の人の治療薬として認められた。
大村智
1935-
日本学士院会員。アメリカ、フラン
ス、ドイツ、ロシア、中国の
科学アカデミー会員。文化功労者
Gene（＋ strand）
Gene（ー strand）
Gene clusters
for secondary
metabolites
rRNA genes
GC content
（72%）
GC skey
エバーメクチン
Replication origin
エバーメクチンを生産する放線菌
Streptomyces aevermitilis MA-4680 2003年
放線菌ゲノム
2005年
エバメクチンによるオンコセルカ症の撲滅を記念して
生物の分類
ドメイン
真正細菌（Bacteria）、古細菌（Archaea）、真核生物（Eukarya）
原核生物：真正細菌＋古細菌（単細胞）
真核生物：真核生物（多細胞、単細胞）
界
門
Phylum（真生細菌＞70 phyla）
綱
目
科
スイス・ジュネーブのWHO本部、世界銀行（米国・ワシントンD.C.）
及び北里研究所にある銅像（ブルキナファソの彫刻家作成）
16S ribosomal RNA gene (16S)
おもに細菌の系統関係や分類などの指標として使われる必須遺伝子
16S DNA
0
23S DNA
5S DNA
500
750
250
V1 69‐99
V2 V3 137‐242
V4 433‐497
27Fmod
V5 576‐682
27F
1000
822‐879
V6 1250
V7 V8 Genus
種
Species
16S配列を基にし
た細菌種の系統
樹（Phylogenetic
tree）
999
905
V9 1435‐1465
601
V1 V2 V6 V3 V4 V5 V7 V8 459
V9 1000
903
Andersson AF et al.:
PLoS One 3, e2836
(2008)
973
468
1000
411
1492R
1061R
0.02
Ros eobacter_denitrificans[NC_0
Silicibacter_pomeroyi[NC_00391
Paracoccus_den itrificans[NC_00
Rhodobacter_sphaeroides[NC_009
Sinorhizobium_ meliloti[NC_0030
766
Sinorhizobium_ medicae[NC_00963
Mesorhizobium_sp.BNC1[NC_00825
273
1000Brucella_ovis[NC_009504]
1000
Brucella_suis[NC_004311]
992
Ochrobactrum_anthrop i[NC_0 096 6
1000
370
Rhizobium_etli[NC_0 0776 1]
Agrobacterium_tumefaciens[NC_0
Rhodopseudomonas_palus tris[NC_
Bradyrhizobium_japonicum[NC_00
1000
Bradyrhizobium_sp ._ BTAi1[NC_00
1000
1000
Azospirillum_doebereinerae[AJ2
975
Azospirillum_brasilens e[X797 39
899
TS10
Azospirillum_irakense[AY660963
634
Magnetospirillum_magneticum[NC
TS49
1000
997 TS12
843
TSNIR003_D02
999
TSNIR002_N24
727
TS33
680
TS17
858
TS29
870
TSBAR001_N18
999
Herminiimonas_arsenicoxydans[N
TS44
523
TSNSR001_F24
1000
1000
Ralston ia_metallid urans[NC_0 07
Ralston ia_eutropha[NC_008314]
756977
Burkholderia_pseudomallei[NC_0
915
Polaromonas_naphthalenivorans[
662
Acidovo rax_sp.JS42[NC_008782]
667
TS9
TSNIR002_A22
254
1000
TS8
827
TS20
756
TS48
1000
TS43
TS26
649
938
TS32
999
TS22
849
TSCOR002_N04
998
685 736
TS2
Dechloromonas _aromatica[NC_007
TS34
590
Azoarcus_sp.EbN1[NC_006513]
1000
Nitrosomonas_europaea[NC_0 0475
Nitrosospira_multiformis[NC_00
1000
1000
Neisseria_meningitidis_ser.A[N
792
Neisseria_gonorrhoeae[NC_00294
Chromobacterium_violaceum[NC_0
702
Thiobacillus_denitrificans[NC_
841
Pseudomonas_entomophila[NC_008
787
Pseudomonas_stutzeri[NC_009434
1000
Pseudomonas_aeruginosa[NC_0025
1000
Pseudomonas_fluorescens[NC_004
Shewanella_denitrificans[NC_ 00
Colwellia_psychrerythraea[NC_0
994
901
Nitrosococcus_oceani[NC_007484
TSBAR001_H13
Flavobacterium_johnso niae[NC_0
TSNSR003_P08
630 TSBAR002_G17
997
TSCOR001_B06
857
TSNIR002_N21
811
TSBAR001_K21
TSNSR003_K06
918
836
TSCOR002_J18
TSNSR001_L19
TSNSR002_G03
TSNSR003_B04
974
Geobacillus_thermodenitrifican
Natronomonas_pharaonis[NC_0074
Haloarcula_marismortui[NC_0063
Pyrobaculum_anaerophilum[NC_00
1000
357R
Hyper-variable regions
V1-V9
大腸菌：Escherichia coli
ヒト：Homo Sapiens
1500 bp
986‐1043 1117‐1173 1243‐1297
787F
属
1000
1000
941
1000
昆虫共生細菌
Carsonella, a symbiont bacterium
Phylogenetic
tree based on
16S sequences
Genome size: ∼700kb
Genome size: ∼700 kb
キジラミーカルソネラ
Whole Genome Amplification
∼0.1μｇのDNA⇒増幅⇒ライブラリー
Carsonella genomeの概要
General features of the Carsonella genome
chromosome
Size (bp)
159,662
G+C ratio (%)
16.5
Predicted ORFs
179
Assigned function
138
Conserved hypothetical
1
Unknown function
40
Average length of ORFs (bp)
838
Protein and RNA coding regions (%)
96.3
Insertion sequences / phage transposons
None
tRNAs
24
rRNA operon
1 (16S-23S-5S)
Nakabachi et al. Science 314, 267 (2006)
極小ゲノム
1. ORF数が少なく
2. 各ORFが短く
カルソネラ
3. ORF同士が重なっている
キジラミより取出した菌細胞
Carsonella（共生細菌）の極小ゲノム
Carsonellaの
遺伝子
0.16Mb
)!
GC content (%)
(!
'!
&!
%!
$!
Bp
Ba(Ap)
Ba(Bp)
#!
Bf
Ba(Sg)
Wg
Carsonella ruddii
"!
3rd positionが
AT-rich
16.5%
!
!
"
#
$
%
&
'
(
)
*
"!
Chromosome size (Mb)
Carsonella
どんな遺伝子（＝機能）が保存されているのか
世界初：シロアリ共生細菌の完全ゲノム解析
Hongoh et al. Science 322, 1108-1109 (2008) 炭素源
の供給
1.1 Mbのゲノム
761個の遺伝子
シロアリ
シロアリ腸内
の原生生物
原生生物に共生する培養不
能細菌（黄色の部分）
アンモニア、尿素
などを合成
空気中の窒素から
アンモニアを合成。
アンモニアは尿素と
ともにアミノ酸などの
生合成の原料。
アミノ酸代謝関連
＊宿主の窒素源の枯渇を補填
木質セルロースを食べて
炭素源・エネルギーの獲得。
アミノ酸などが不足
アミノ酸などの供給
細菌ゲノムの進化様式
Table. Genomes of various symbionts
Strain�
Genome
GCsize（bp）�
content（％）�
640,681
26
641,454
25
615,980
25
416,380
20
705,557
27
791,654
29
686,194
33
697,724
22
Host�
Genes�
564
546
504
357
583
610
595
611
Buchnera aphidicola BAp�
アブラムシ（Acrythosiphon pisum）�
Buchnera aphidicola BSg�
アブラムシ（Schizaphis graminun）�
Buchnera aphidicola BBp�
アブラムシ（Baizongia pistaciae）�
Buchnera aphidicola BCc�
アブラムシ（Cinara cedri）�
Blochmannia floridanus
オオアリ（Camponotus floridanus）�
Blochmannia pennsylvanicus
オオアリ（Camponotus pennsylvanicus）�
Baumannia cicadellinicola
オオヨコバイ（Homalodisca vitripennis）�
Wigglesworthia glossinidia
ツェツェバエ（Glossina brevipalpis）�
Termite Group 1 Rs-D17
Protist（Trichonympha agilis） in
termites（Reticulitermes speratus）�
1,125,857
35
761
Protist（Pseudotrichonympha grassii） in
termites（Coptotermes formosanus）�
1,114,206
32
758
245,530
159,662
143,795
22
16
58
227
182
169
4,171,146
54
2,432
��
31
31
29
41
��
536
475
835
874
Azobacteroides
pseudotrichonymphae genomovar.
CFP2�
Sulcia muelleri
オオヨコバイ（Homalodisca vitripennis）�
Carsonella ruddii
キジラミ（Pachypsylla venusta）�
Hodgkinia cicadicola Dsem�
Sodalis glossinidius（secondary
symbiont）�
セミ（Diceroprocta semicincta）�
Other bacteria with small genome�
��
Nanoarchaeum equitans
Archaea in environmentals�
Mycoplasma genitalium
偏性細胞外寄生菌（exocellular pathogen)�
Rickettsia prowazekii
偏性細胞内寄生菌 (Endocellular pathogen)�
Chlamydia trachomatis
偏性細胞内寄生菌 (Endocellular pathogen)�
ツェツェバエ（Glossina brevipalpis）�
祖先原核生物 Ancestor
Mitochondria,
Chloroplast
ミトコンドリア、葉緑体
of Procaryotes
古細菌
Archaea
祖先真正細菌
Base changes
Ancestor of Bacteria
塩基置換
ゲノムの再編成
（IS配列、トランスポゾン）
Genome
reduction
遺伝子の水平伝播
（ファ−ジ、プラスミド）
ゲノムの縮小
Genome rearrangement by
ISs and transposons
Horizontal gene transfer by
unknown mechanism, phages
and plasmids
＊偽遺伝子が多い
��
490,885
580,076
1,111,523
1,038,842
Symbionts
共生細菌（∼1Mb）
ブフネラ、カルソネラなど
細胞外、細胞内寄生菌（∼1Mb）
マイコプラズマ、リケッチアなど
Small pathogens
細胞外寄生菌、さまざまな環境菌（∼10 Mb）
大腸菌O157、放線菌、枯草菌など
Pathogens, various environmental bacteria

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