はじめに
ショットガンメタゲノムシーケンスは、メタゲノム解析の手法の一つであり、メタゲノムDNAからショットガンライブラリーを作製後、ショートリードシーケンサーを用いてシーケンスデータを取得します。この解析で、サンプルに存在する全ての微生物の全ての遺伝子を網羅的に評価し、微生物の存在量の検出が可能となります。
本記事では、ショットガンメタゲノムシーケンスの原理と研究への活用状況を解説します。
ショットガンメタゲノムシーケンスの原理
ショットガンメタゲノムシーケンスは、複雑な微生物コミュニティ(マイクロバイオーム)の全ての遺伝情報を、選択やバイアスなしに抽出し、シーケンスする手法です。この技術は環境サンプルから直接DNAを抽出した後、DNAをランダムに断片化し、その後、高速のシーケンサーを用いて膨大な量の断片を同時に読み取ります。読み取られたDNA断片は、バイオインフォマティクスのツールを用いて組み立てられ、微生物のゲノムを再構築します。このプロセスを通じて、培養が困難な微生物やまだ発見されていない種の遺伝子情報も含め、その環境に存在する全ての微生物の遺伝的構成を明らかにすることができます。
ショットガンメタゲノムシーケンスの特徴は、培養依存的なアプローチによっては見逃されがちなマイクロバイオームの多様性を、より幅広く、深く掘り下げることができる点です。この方法により、微生物間の相互作用、それぞれの微生物が生態系内で果たす役割、さらには遺伝子機能解析まで、より詳細な情報を収集することが可能になります。
16S rRNA アンプリコンシーケンスとの違い
16S rRNA アンプリコンシーケンスは、細菌の系統学的分類の指標として用いられる16SリボソームRNA遺伝子をPCR増幅し、そのシーケンス情報から微生物の同定と分類を行う手法です。このため、科もしくは属レベルでの大まかな菌種の同定に限られてしまいます。相対的な微生物の多様性の測定に幅広く活用されていますが、遺伝子機能や微生物間の相互作用の解析は出来ません。
これに対して、ショットガンメタゲノムシーケンスでは、16S rRNA遺伝子に限らず、DNAサンプルに含まれる全ての遺伝情報を無選択的に網羅的にシーケンスします。そのため、16SrRNAアンプリコンシーケンスと比較して、詳細な細菌叢の組成、代謝経路や耐性遺伝子を含めた遺伝子解析、ゲノム構造解析、発現制御機構やマイクロバイオームの機能に関する洞察など、より多くの情報を得ることができます。
また、広範な情報を得ることができます。メタボローム解析やトランスクリプトーム解析を組み合わせたオミクス解析を行うことで、さらに詳細なマイクロバイオームの全体像の把握が可能になると、有用性が示されてきています。
まとめ
このように、16S rRNA アンプリコンシーケンスは微生物群集の構成を迅速に調べるのに適しているのに対し、ショットガンメタゲノムシーケンスは微生物群集の機能とその遺伝的構造を包括的に理解するための強力なツールです。つまり、16S rRNAアンプリコンシーケンスが「どのような微生物がそこにいるのか」を明らかにするのに対し、ショットガンメタゲノムシーケンスは「彼らが何をしているのか」を解明する手助けになります。
どちらの手法を選択すべきかは研究目的や予算により異なりますが、どちらの技術も、マイクロバイオーム研究において相互補完的な役割を果たし、環境科学やバイオテクノロジー、医学などの幅広い分野において、私たちの知識と理解を広げることでしょう。
今後も技術の進歩とともに、未知の微生物の発見や新たな生物学的プロセスの解明が進むことが期待されます。
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