Metagenomic Exploration of the Marine Sponge Mycale hentscheli Uncovers Multiple Polyketide-Producing Bacterial Symbionts

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Storey MA, Andreassend SK, Bracegirdle J, Brown A, Keyzers RA, Ackerley DF, Northcote PT, Owen JG.

mBio. 2020 Mar 24;11(2):e02997-19.

doi: 10.1128/mBio.02997-19. PMID: 32209692; PMCID: PMC7157528.

Metagenomic Exploration of the Marine Sponge Mycale hentscheli Uncovers Multiple Polyketide-Producing Bacterial Symbionts | mBio
Mycale hentscheli is a marine sponge that is rich in bioactive small molecules. Here, we use direct metagenomic sequencing to elucidate highly complete and cont...

 海産無脊椎動物の共生細菌による特殊な細胞毒性代謝物の産生は、共生を維持するための重要なドライバーであると考えられている。この関係では、微生物は宿主に防御的優位性を提供し、その見返りとしてホスピタリティの高い環境が提供される。この相互作用の生態学的利益は、進化の時間枠の中で維持されている場合、いくつかの宿主と共生体のペアの間の相互依存性と排他性を駆動しているように見える。いくつかのケースでは、これが共生体のゲノムの特殊化や減少をもたらしたが、二次代謝物の生合成は正の選択的圧力の下で機能的に維持されている。海洋無脊椎動物の二次代謝物は、その重要な生態学的役割に加えて、真核生物の細胞経路に対する特異性と優れた効力を示すことから、化学療法剤のシーズとして注目されてきた。これらの化合物の多くは治療への応用が期待されているが、効率的で持続可能な合成ルートがないため、臨床開発が制限されることが多い。

 海綿(Polyifera)は、強力な生理活性を有する構造的にユニークな二次代謝物の発見のための、特に豊富な資源であることが証明されている。海綿マイクロバイオームのメタゲノム解析は、いくつかのポリケチドおよび修飾ペプチド二次代謝物の細菌起源を確認するために使用されている。この文脈で特に重要なのは、Theonella属海綿から報告された化合物のほとんどすべての生産者であるTectomicrobiaの発見である。しかし、調査された海綿マイクロバイオームの総数はまだ比較的少なく、遺伝子と化合物を結びつける研究はさらに少ない。そのため、複雑な天然物を産生する共生細菌や共生システムはまだ発見されていない可能性が高い。

 海洋無脊椎動物から単離された最も強力な二次代謝物の多くはポリケチド由来であり、これらの二次代謝物は多くの場合、トランス作用型アシルトランスフェラーゼ(trans-AT)ポリケチド合成酵素(polyketide synthase: PKS)システムの産物であることが、メタゲノム研究により明らかにされている。trans-AT PKSでは、モジュールはcis-AT PKSに見られる統合されたATドメインを欠き、その代わりに、複数のモジュールにアシル転移を触媒する少なくとも1つの独立したAT酵素を利用する。trans-AT PKS遺伝子クラスターは、しばしば特異的なクラスター構造を有しており、コピー数の変動、クラスターの断片化、非正準モジュール、モジュール内での反復ドメインまたは非機能ドメインの存在が、すべての共通の特徴である。このようなクラスター構成の柔軟性および多様性は、これらの生合成遺伝子クラスター(biosynthetic gene cluster: BGC)によって生成される緻密に機能化された化合物の構造的多様性に反映される。

 Mycale 属に属する海綿は多数の生理活性代謝物を産生しているが、この化合物と産生細菌を決定的に結びつける研究はまだない。Mycale hentscheliは特に代謝的に多様な生物であり、強力な細胞毒性ポリケチドおよびその近縁体であるpateamine、peloruside、mycalamideの供給源となっている。これらの化合物はそれぞれ、異なる細胞標的を介して作用する強力な細胞毒性活性を有している。pateamine、peloruside、mycalamideは、異なるM. hentscheliサンプルから様々な割合で単離されており、その構造から、これらの化合物は細菌のtrans-AT PKS / nonribosomal peptide synthetase 型生合成システムの産物である可能性が高いことが示唆されている。

 これらの分子の生産に向けた持続可能な生合成経路の開発に向けた第一歩として、私たちはメタゲノムシークエンスを用いて、M. hentscheliのマイクロバイオームを調べ、主要な代謝物の生合成経路と生産生物を探索した。PacBioとIlluminaのハイブリッドデータを用いて、mycalamideとpateamineの両方について、完全に連続したBGCを同定した。また、これまでM. hentscheliから分離されていなかった分子をコードしていると思われる追加のBGCも発見された。また、pelorusideのBGCも発見したが、これを産生生物に特定することはできなかった。M. hentscheliの5検体のシークエンシングを行い、パンメタゲノム全体で85%以上の完全性(平均94.4%)と15%未満の汚染(平均2.8%)を持つ26の完全な高品質メタゲノムアセンブルゲノム(metagenome-assembled genome: MAG)を構築することができた。mycalamide生産者とpateamine生産者はいずれも、既知の培養種や未培養種とは分類学的に十分な遠位であり、それぞれが新属であることがわかった。pateamine生産者の場合、ハイブリッドメタゲノムアセンブリ(MAGの98.7%が単一コンティグに捕獲されている)によって得られた連続ゲノムは、pateamine遺伝子クラスターの真の構造を解明するために不可欠であった。また、Pelorusideの生合成経路を含む188の生合成遺伝子クラスターを同定した。これらの結果は、M. hentscheliの防御共生に複数の種が協力的に貢献していることを示唆しており、二次代謝物を産生する海綿体の分類学的多様性がこれまでに認識されていたよりも大きく、豊かであることを明らかにした。

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