What is metagenomics
マイクロバイオーム

マイクロバイオーム研究におけるメタゲノミクス

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微生物とマイクロバイオーム？

18世紀に顕微鏡の進歩により微生物の存在が初めて確認されましたが、地表だけでなくあらゆる場所に偏在する微生物の全容を誰が想像できたでしょうか。まさしく、微生物が世界を動かしていると言っても過言ではありません(1)。微生物は至るところで、極めて厳しい荒涼な環境でさえ見つかります。微生物は物理的環境と生物圏の両方の調節にも関与することが明らかになっています。当然のことですが、微生物は単細胞生物およびヒトなどの多細胞生物と多くの関係 ― 有益な関係も有害な関係もあります ― を築いてきました。ここ数十年間で、ヒトの健康と疾患における微生物の重要性が大きく解明されてきています(1)。

微生物が世界を動かす
 

おそらくこうした複雑な関係性が、微生物を理解する上での最大の障害になっています。微生物学分野の大半の知識は、純粋培養 ― 管理された環境下で微生物の純粋株を分離、増殖させること ― による研究から得られたものです。しかし、すべての微生物が培養できるとは限らず、また、人工的な純粋培養では微生物の特徴、挙動、および進化の道筋を定める他の種との相互作用が失われます。これは、シャーレで培養した微生物の遺伝子型と表現型は、自然界で見られるものとは異なる可能性がとても高いことを意味します(1)。

 

メタゲノミクスとは？

コミュニティゲノミクスとしても知られるメタゲノミクスとは、大まかに言うと、自然の生活環境に含まれる微生物群の遺伝子分析のことです。微生物学的な観点から見ると、培養できない微生物の研究とも言えます。純粋培養による遺伝的均一性に代わるものであり、科学者たちは微生物群内に存在する並外れた多様性について理解をより深めることができます。微生物群の多様性を研究することは、私たちの生理学と私たちが住む世界のシステムの両方をよりよく理解することにつながります(1)。


マイクロバイオームの研究方法

ショットガンシークエンシングは、細菌と細菌以外の微生物（菌類、ウイルスなど）を同時に解析することが可能です(2)が、シークエンシング作業に多くの労力を必要とします。一方、16Sシークエンシングは1つの遺伝子に特化できます。特に、16Sシークエンシングは細菌の系統および分類の調査に有用です(2)。メッセンジャーRNA（mRNA）のメタゲノム解析法であるメタトランスクリプトミクスは、メタゲノム解析によって明らかになった差異が遺伝子の調節と発現に及ぼす影響の研究に非常に役立ちます。

現在の手法の限界

予期されているように、メタトランスクリプトミクスはmRNAの短い半減期など、技術的障害による制約を受ける可能性があります。NGSテクノロジーの進歩に伴ってさまざまな手法が開発され、メタゲノミクスにも応用されてきました。初期の微生物メタゲノミクスでは、多くの研究がパイロシークエンシング法など中程度のリード長（～800 bp）で行われていました（Roche® 454プラットフォームなどを使用）(4)。年月が経つにつれて、より優れた費用対効果でさらなるハイスループットを実現できるショートリード解析（Illumina® シークエンシングなど）がこれに代わるようになりました。

Limitations of current methods
しかし、ショートリードシークエンシングにも一定のバイアスが存在するなどの技術的課題があります。さらに最近では、技術が進歩して数十kb単位の長いリードを生成可能なロングリードシークエンシング（SMRTシークエンシング、ナノポアシークエンシングなど）への移行が進んでいます。ロングリードはエラーが多くなりますが、シークエンシング深度が十分に高くエラーの修正が可能であれば、クローズドゲノムアセンブリに便利であることが明らかになっています(5)。しかし、Illuminaシークエンシングと比較して生成される遺伝情報が少なく、大量の生のDNAサンプルが必要であることから、現時点ではこれらの技術の方が全ゲノムシークエンシングや同様のアプリケーションにとってより適していると考えられます(6)。

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参考文献：
  1. National Research Council (US) Committee on Metagenomics: Challenges and Functional Applications. The New Science of Metagenomics: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet. Washington (DC): National Academies Press (US); 2007.
  2. Jovel, J. et al. (2016) Characterization of the gut microbiome using 16S or shotgun metagenomics. Front Microbiol. 7, 459.
  3. Janda, J. M. and Abbott, S. L. (2007) 16s rRNA gene sequencing for bacterial identification in the diagnostic laboratory: pluses, perils, and pitfalls. Clin. Microbiol. 45(9), 2761–2764.
  4. Bragg, L. and Tyson, G. W. (2014) Metagenomics using next-generation sequencing. Environ. Microbiol. 1096, 183–201.
  5. Koren, S. and Phillippy, A. M. (2015) One chromosome, one contig: complete microbial genomes from long-read sequencing and assembly. Curr. Opin. Microbiol. 23, 110–120.
  6. Driscoll, C. B. et al. (2017) Towards long-read metagenomics: complete assembly of three novel genomes from bacteria dependent on a diazotrophic cyanobacterium in a freshwater lake co-culture. Stand. Genomic. Sci. 12, 9.