新しい評価系を利用した細菌の病原性システムの解明

カイコ感染モデルの構築と細菌の病原性遺伝子の探索

細菌が動物を死に至らしめる分子機構を理解するためには、動物に対する病原性発現に関わる細菌因子群を多数同定し、その機能を明らかにすることが必要です。これまで感染モデル動物として用いられてきたマウスなどのほ乳動物は倫理的な観点とコスト面から多数の個体数を扱うことが困難であり、病原性因子の網羅的同定には適していません。また、線虫やショウジョウバエなどの無脊椎モデル動物は体の大きさが小さく、定量的なサンプルの注射による感染実験が困難です。垣内らは、この問題点を克服するために、昆虫であるカイコを利用した感染モデルを確立しました。ヒトに感染する病原性細菌はカイコに対して致死性を示し、非病原性細菌は致死性を示しませんでした。カイコ感染モデルを用いて細菌の病原性因子の同定を試みるため、ヒトに感染する病原性細菌である黄色ブドウ球菌の機能未知遺伝子群の破壊株ライブラリーを作出し、カイコ殺傷能力が低下する株を探索しました。その結果、RNAの修飾酵素、RNA結合タンパク質、ヌクレオチド代謝酵素など、これまで病原性への関与が指摘されていない細菌因子群の欠損がカイコに対する殺傷能力の低下を導くことを見出しました。これらの因子はマウスに対する病原性にも必要でした。カイコ感染モデルを用いることにより、新規病原性因子の網羅的同定とそれらが担う病原性発現機構の解明が可能となりました。

(1) Kaito C, Akimitsu N, Watanabe H, Sekimizu K: Silkworm larvae as an animal model of bacterial infection pathogenic to humans. Microbial Pathogenesis 32:183-90 (2002)

(2) Kaito C, Kurokawa K, Matsumoto Y, Terao Y, Kawabata S, Hamada S, Sekimizu K: Silkworm-pathogenic bacteria infection model for identification of novel virulence genes. Mol Microbiol. 56:934-44 (2005)

(3) Kaito C, Morishita D, Matsumoto Y, Kurokawa K, Sekimizu K: Novel DNA binding protein SarZ contributes to virulence in Staphylococcus aureus. Mol Microbiol. 62:1601-1617. (2006)

(4) Numata S, Nagata M, Mao H, Sekimizu K, Kaito C: CvfA protein and PNPase act in an opposing manner to regulate Staphylococcus aureus virulence. J Biol Chem. 289(12):8420-31. (2014)

(5) Kyuma T, Kimura S, Hanada Y, Suzuki T, Sekimizu K, Kaito C: Ribosomal RNA methyltransferases contribute to Staphylococcus aureus virulence. The FEBS Journal 282(13):2570-84. (2015)

(6) Imae K, Saito Y, Kizaki H, Ryuno H, Mao H, Miyashita A, Suzuki Y, Sekimizu K, Kaito C: Novel nucleoside diphosphatase contributes to Staphylococcus aureus virulence. J Biol Chem. 291(36):18608-19. (2016) “Paper of the Week”

細菌の病原性を抑制する生体防御機構の解明

カイコ感染モデルを用いて黄色ブドウ球菌の病原性遺伝子の特徴を明らかにする過程で、黄色ブドウ球菌の毒素をコードする遺伝子群はカイコに対する病原性に必要でないことが明らかとなりました。しかしながら、精製した黄色ブドウ球菌の毒素をカイコに注射すると、カイコは死亡しました。この結果から垣内らは、黄色ブドウ球菌の毒素発現がカイコ体内で抑制されていると仮説をたて検証しました。その結果、カイコ体液中の脂質輸送タンパク質が黄色ブドウ球菌の増殖には影響を与えることなく、黄色ブドウ球菌の毒素発現を抑制することが明らかとなりました。カイコの脂質輸送タンパク質は黄色ブドウ球菌の菌体表層の多糖類であるリポタイコ酸に結合し、タンパク質リン酸化によるシグナル伝達系を阻害することにより、黄色ブドウ球菌の毒素遺伝子の転写を抑制することが判明しました。さらに、カイコの脂質輸送タンパク質と相同性を有する哺乳類のタンパク質も黄色ブドウ球菌の毒素発現を抑制しました。以上の結果は、細菌を殺さずに、細菌の病原性を抑制するという新しい生体防御機構が昆虫と哺乳類の間で共通して存在することを示唆しています。

(1) Hanada Y, Sekimizu K, Kaito C: Silkworm apolipophorin protein inhibits Staphylococcus aureus virulence. J Biol Chem. 286(45):39360-9. (2011)

(2) Omae Y, Hanada Y, Sekimizu K, Kaito C: Silkworm apolipophorin protein inhibits hemolysin gene expression of Staphylococcus aureus via binding to cell surface lipoteichoic acids. J Biol Chem. 288(35):25542-50. (2013)

MRSAの病原性決定機構の解明

細菌の移動能力はその病原性発現に重要ですが、黄色ブドウ球菌は鞭毛を持たないために移動能力を持たないと考えられてきました。一方、黄色ブドウ球菌を軟寒天培地表面に塗布すると、巨大コロニーが形成されることを垣内らは見出しました。コロニースプレッディングと命名したこの現象が黄色ブドウ球菌の病原性評価に有効なのではないかと考え、欧米諸国を中心に問題を起こしているメチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）の高病原性株とMRSAの低病原性株のコロニースプレッディング能力を比較しました。その結果、高病原性のMRSA株はコロニースプレッディング能力が高く、低病原性のMRSA株はコロニースプレッディング能力が低いことが明らかとなりました。コロニースプレッディング能力の違いを導く遺伝子を探索することにより、コロニースプレッディングは低病原性のMRSAに特異的に存在する遺伝子 psm-mec によって抑制されることを見出しました。psm-mec 遺伝子を高病原性のMRSA株に導入すると、コロニースプレッディングが抑制されるだけでなく、毒素産生量が減少し、マウスに対する病原性が減弱しました。さらに、日本国内の病院から325株のMRSAを収集し、psm-mec 遺伝子の変異と病原性との関係性を検討した結果、約3割のMRSA株において、psm-mec 遺伝子が変異、または欠損することによって、毒素産生量が増加していることが明らかとなりました。以上の結果は、コロニースプレッディングがMRSAの病原性評価の指標となること、ならびに、psm-mec 遺伝子がMRSAの病原性の決定因子であることを示唆しています。さらに、psm-mec 遺伝子による病原性制御機構の解明を試みた結果、psm-mec の転写産物が機能性RNAとして黄色ブドウ球菌の病原性制御因子の翻訳を阻害し、病原性制御機能を果たすことを見出しました。本知見は、細菌が機能性RNAにより自身の病原性を抑制することを初めて明らかにしたものであり、細菌の病原性制御機構の理解に貢献すると考えられます。

(1) Kaito C, Sekimizu K: Colony Spreading in Staphylococcus aureus. J Bacteriol. 189, 2553-7. (2007)

(2) Kaito C, Omae Y, Matsumoto Y, Nagata M, Yamaguchi H, Aoto T, Ito T, Hiramatsu K, Sekimizu K: A novel gene, fudoh, in the SCCmec region suppresses the colony spreading ability and virulence in Staphylococcus aureus. PLoS ONE 3:e3921. (2008)

(3) Kaito C, Saito Y, Nagano G, Ikuo M, Omae Y, Hanada Y, Han X, Kuwahara-Arai K, Hishinuma T, Baba T, Ito T, Hiramatsu K, Sekimizu K: Transcription and translation products of the cytolysin gene psm-mec on the mobile genetic element SCCmec regulate Staphylococcus aureus virulence. PLoS Pathog. 7(2):e1001267. (2011)

(4) Kaito C, Saito Y, Ikuo M, Omae Y, Mao H, Nagano G, Fujiyuki T, Numata S, Han X, Obata K, Hasegawa S, Yamaguchi H, Inokuchi K, Ito T, Hiramatsu K, Sekimizu K: Mobile genetic element SCCmec-encoded psm-mec RNA suppresses translation of agrA and attenuates MRSA virulence. PLoS Pathog. 9(4):e1003269. (2013)

(5) Ikuo M, Nagano G, Saito Y, Mao H, Sekimizu K, Kaito C: Inhibition of exotoxin production by mobile genetic element SCCmec-encoded psm-mec RNA is conserved in staphylococcal species. PLoS ONE 9(6):e100260. (2014)