COMPLEX ADAPTIVE TRAITS

COMPLEX ADAPTIVE TRAITS
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DNA
gyrase
GFLX
LFLX
Cell wall
synthesis
CTX CPZ
10
CAZ
CPFX
CEX
ENX
CFIX
0
LVFX
SM
OFLX
KM
-10
NFLX
AMK
GM
NA
NM
RFP
TP
AZM
CP MINO
TC
DOXY
Protein
synthesis
Vol. 5 No. S4 2014
表紙写真：進化実験によって得られたエノキサシン（ENX; DNA複製阻害剤）耐性
株が、他の様々な抗生物質に対してどのように耐性・感受性を変化させたかを定
量した一例。放射線軸が進化前の株に対する耐性能の対数比を示す。太い黒線で
示した円は、進化前の株の耐性能を表し、アルファベット2～4文字（CTX, CPZな
ど）は抗生物質の略号を表している。各色の線が黒い円よりも外側にある場合は、
エノキサシン耐性を獲得することによって対応する抗生物質への耐性を獲得した
ことを表し、内側に入ったときは、逆に感受性を獲得したことを意味する（理化学研究所　古澤力）。 Prediction of Antibiotic Resistance by Gene
Expression Profiles
Shingo Suzuki, Takaaki Horinouchi, Chikara Furusawa
Nature Communications 5: 5792
Published on 27th December 2014, DOI: 10.1038/ncomms6792
Although many mutations contributing to antibiotic resistance have been identified, the
relationship between the mutations and the related phenotypic changes responsible for the
resistance has yet to be fully elucidated. To better characterize phenotype-genotype
mapping for drug resistance, here we analyze phenotypic and genotypic changes of
antibiotic resistant Escherichia coli strains obtained by laboratory evolution. We
demonstrate that the resistances can be quantitatively predicted by the expression changes
of a small number of genes. Several candidate mutations contributing to the resistances are
identified, while phenotype-genotype mapping is suggested to be complex and includes
various mutations that cause similar phenotypic changes. The integration of transcriptome
and genome data enables us to extract essential phenotypic changes for drug resistances.
http://www.nature.com/ncomms/2014/141217/ncomms6792/full/ncomms6792.html
1
バクテリアの抗生物質耐性を少数遺伝子の発現量から予測～少数遺伝子の発現量変化から高精度に抗生物質への耐性を予測～
2014 年 12 月 17 日独立行政法人理化学研究所プレス発表 http://www.riken.jp/pr/press/2014/20141217_3/
【研究の概要】複数の抗生物質に耐性を持つ病原菌である「多剤耐性菌」の出現は、世界的な問題となってい
ます。多剤耐性菌の出現を抑えるには、病原菌の進化がどのように起こるかを理解し、耐性獲得
をコントロールする手法の開発が必要です。しかし、病原菌の進化の過程は、ゲノムや細胞の状
態変化が複雑に絡み合ったものであり、その全貌が理解されているとは言い難いのが現状です。
研究チームは、さまざまな抗生物質を添加した環境で大腸菌を長期に植え継いで培養すること
で、生体内で行われる抗生物質に対する耐性獲得の進化プロセスを生体外で再現できる実験シス
テムを構築しました。実験では、どの遺伝子に突然変異が起きるのか、発現量に変化が生じるの
かを調べると同時に、各種薬剤に対する耐性の変化を詳細に解析しました。その結果、1 つの抗
生物質への耐性獲得が、他のある種の抗生物質に対する耐性獲得を引き起こす一方で、別の抗生
物質に対しては、耐性の低下を引き起こすことが明らかになりました。また、耐性を獲得した大
腸菌では、獲得前の状態と比較して、数千の遺伝子で発現量が変化するものの、どの抗生物質へ
の耐性を獲得するのかは、数個の遺伝子の発現量によって高い精度で予測できることを、統計的
解析によって示しました。さらに、耐性株でゲノムに生じた突然変異を調べた結果、全く種類の
異なる遺伝子の変異が、類似の機能を持つ遺伝子の発現量の変化を引き起こし、それが抗生物質
耐性の獲得につながっていることが示唆されました。
開発した手法により、どの遺伝子がどの抗生物質への耐性獲得に寄与しているかを定量的に解
析することが可能となり、耐性獲得を抑制する手法の開発や新規抗生物質の開発への貢献が期待
できます。研究の成果は、英国の科学雑誌『Nature Communications』のオンライン版（12 月 17
日付け：日本時間 12 月 17 日）に掲載されます。
【研究の背景】抗生物質が効かない病原菌（耐性菌）、特に複数の抗生物質への耐性を持つ多剤耐性菌の出現
は、世界的な問題となっています。新しい抗生物質を開発しても、投与を続けることにより、多
くの場合においてその抗生物質への耐性菌が出現し、その効果が失われてしまいます。世界保健
機関（WHO）は、こうした耐性菌の出現によって、ありふれた感染症や軽度のけがで命を落と
しかねない「ポスト抗生物質時代」が到来すると警告しています。
抗生物質に耐性を持つ病原菌は、突然変異などによる状態変化と選択の繰り返しである、いわ
ゆるダーウィン進化の過程を経て出現すると考えられています。耐性菌の出現メカニズムを理解
し、出現を抑制する手法を開発するためには、耐性菌へと進化する過程で何が起こっているかを
明らかにすることが重要です。しかし、耐性獲得の進化過程は、ゲノム配列の変化に加え、細胞
の状態変化といった多くの要素が絡み合う複雑な仕組みであるため、全貌が理解されているとは
いえないのが現状です。
【研究手法と成果】
病原菌が抗生物質に対する耐性をどうやって獲得したのか知りたい場合に、病院などで発見さ
2
10
2
セフェキシムへの耐性能
(b)
CFIX 1
CFIX 2
CFIX 3
CFIX 4
3
クロラムフェニコールへの耐性能
(a)
90
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
0
10
20
30
40
50
60
70
80
CP 1
CP 2
CP 3
CP 4
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
90
10
20
30
時間（day）
40
50
60
70
80
90
時間（day）
(a)
(b)
mg/L
4
1
1
A
B
DNA
7
8
2c
3
(a)
GFLX
LFLX
DNA
gyrase
Cell wall
synthesis
CTX CPZ
10
CAZ
CPFX
CEX
ENX
CFIX
0
LVFX
SM
シプロフロキサシンへの耐性能
(b)
8
6
4
2
0
-2
Parent
ENX 1
ENX 2
ENX 3
ENX 4
KM
-10
NFLX
(c)
AMK
GM
NA
NM
RFP
TP
AZM
CP MINO
0
2
4
6
8
エノキサシンへの耐性能
TC
DOXY
Protein
synthesis
クロラムフェニコールへの耐性能
OFLX
6
4
2
0
-2
-4
-4
-2
0
2
4
6
ネオマイシンへの耐性能
(a)
ENX
2
10
(b)
(c)
4
4
DNA
CTX, CPZ
8
(a)
エノキサシン
8
R=0.88
耐性能の予測値
4
2
4
2
0
0
-2
-2
-4
-2
R=0.76
6
6
耐性能の予測値
ネオマイシン
(b)
0
2
4
6
8
-4
-2
耐性能の実測値
(c)
4
6
R=0.82
8
4
2
0
-2
-4
2
全て
（25種類）
10
R=0.76
耐性能の予測値
耐性能の予測値
(d)
クロラムフェニコール
6
0
耐性能の実測値
6
4
2
0
-2
-4
-6
-4
-2
0
2
4
6
-6
耐性能の実測値
-4
-2
0
2
4
6
8
10
耐性能の実測値
acrB,
7 8
ompF, cyoC, pps, tsx, oppA, folA, pntB
5
COMPLEX ADAPTIVE TRAITS Newsletter Vol. 5 No. S4
発行：2014年12月18日発行者：新学術研究領域「複合適応形質進化の遺伝子基盤解明」（領域代表者長谷部光泰）編集：COMPLEX ADAPTIVE TRAITS Newsletter 編集委員会（編集責任者深津武馬）領域URL：http://staff.aist.go.jp/t-fukatsu/SGJHome.html

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