細菌の膜小胞を介した選択的相互作用 田代陽介

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トピックス 新進気鋭 シリーズ

第55回 日本生物物理学会年会 若手招待講演

1.

はじめに

原核生物，真核生物問わず生物は細胞外に細胞膜と 同様の構造をした小胞を分泌している．真核生物で は，細胞外小胞としてエクソソームやマイクロベシク ルが良く知られている．一方，原核生物も細胞表層か ら膜小胞を分泌しており，Membrane vesicle（MV）と 呼ばれている．リン脂質二重層と膜タンパク質で構成 される

MV

の内部には，DNAや細胞間情報伝達物質 などが存在しており（図

1），遺伝子水平伝播や細菌

間コミュニケーションに重要な役割を担うことが近年 明らかになってきた¹⁾．しかし，環境中で放たれた

MV

の受け取り側の理解は進んでおらず，標的性を有 するのかは謎に包まれている．本稿では細菌の選択的 な小胞輸送について，筆者らの最近の成果を含めて紹 介したい．

2.

微生物が分泌する膜小胞の性質と機能

グラム陰性菌による

MV

分泌の現象自体は既に

50

年以上も前に発見されており²⁾，その後グラム陽性菌 やアーキアでもその現象は確認されている．そのため

MV

の分泌は原核生物に普遍的に存在する現象と捉え られている．MVのサイズは由来の細菌により異なる が概ね

20

〜

250 nm

であり，真核生物のエクソソー ム（50-150 nm）に非常に似通ったサイズである．

細菌が

MV

を分泌する目的は様々であり，その機

能は多岐にわたっている．生物学的機能の一つとして 挙げられるのが，ストレスの緩和作用である．特にグ ラム陰性菌はペリプラズム内にペプチドグリカンの破 片やミスフォールドなタンパク質が蓄積する．MVが 分泌されることでペリプラズム内に蓄積した不要物質 が細胞外に排出される³⁾．病原細菌においては

MV

内 に病原因子を濃縮させ，目的となる細胞に接着してそ の毒素を送り込む感染システムとして

MV

を利用し ている⁴⁾．MV内には

DNA

などの核酸も含まれてお り，他の細菌に取り込まれることから，遺伝子水平伝 播としての機能も有している⁵⁾．細菌は細胞外にシグ ナル物質を分泌しその濃度により同種の菌体密度を感 知し遺伝子発現を調節するクォラムセンシング機構を 有しているが，疎水性を示すシグナル物質は

MV

に より細菌間を伝達することも知られている⁶⁾．このよ うに，MVは広い環境中においてメンブレントラ フィックのような機能を有している．

3.

選択的な膜小胞―細菌相互作用

真核細胞内におけるメンブレントラフィックは，オ ルガネラから分泌された小胞が特定の内容物を標的の オルガネラに運ぶ輸送システムである．一方，原核生 物間で

MV

は細胞間輸送システムとして機能してい るものの，MVの行き先が限定されるか否かについて は明らかではない．その疑問を明らかにするために，

Japan Collection of Microorganisms（JCM）のカルチャー

コレクションから

MV

分泌能が高い細菌を選抜し，

各細菌における

MV

を蛍光標識し，MV取り込み量を 蛍光強度により評価した⁷⁾．その結果，MV研究のモ デル微生物である緑膿菌

Pseudomonas aeruginosa

の分泌 する

MV

は，様々な細菌に作用することが示された．

P. aeruginosa

が分泌する

MV

は溶菌酵素を含有し他の

様々な細菌に侵入して溶菌を引き起こすことが報告さ れており⁸⁾，当菌の

MV

は普遍的に様々な細菌種に作 用すると考えられる．一方，腸内細菌科細菌

Buttiaux-

ella agrestis

が分泌する

MV

は他属の細菌には作用しな

いものの，同属の細菌に取り込まれることが示され 生物物理

58（ 4

），

214-215

（

2018

）

DOI: 10.2142/biophys.58.214

受理日：

2018

年

3

月

14

日

細菌の膜小胞を介した選択的相互作用

田代陽介

 静岡大学学術院工学領域化学バイオ工学系列

Bacterial Selective Interaction Using Membrane Vesicles Yosuke TASHIRO

Division of Applied Chemistry and Biochemical Engineering, College of Engineering, Shizuoka University 図1

（A）緑膿菌のMV高生産株（opr86発現低下株）の走査電子顕微 鏡写真．矢印はMVを示す．（B）グラム陰性菌が分泌するMVの 模式図．

細菌の膜小胞を介した選択的相互作用

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田代陽介（たしろ　ようすけ）

静岡大学学術院工学領域講師

2009年筑波大学大学院生命環境科学研究科博士 課程修了，博士（農学）．学振研究員PD（筑波大 学），北海道大学博士研究員，学振研究員PD（北 海道大学，ケンブリッジ大学）を経て，13年か ら静岡大学助教．18年から現職．

研究内容：微生物における小胞の形成機構解明と その応用

連絡先：〒432-8561 静岡県浜松市中区城北3-5-1 E-mail: [email protected]

URL: http://cheme.eng.shizuoka.ac.jp/wordpress/

tashiro/

田代陽介

する環境中の複雑な細菌間ネットワークのシステム構 築に大きく寄与していると考えられる．

MV

は内包する物質を安定的に輸送することから，

標的細胞に薬剤を輸送するドラッグデリバリーシステ ムなどの応用が期待されている¹⁰⁾．実際に筆者らは

B.

agrestis

由来の

MV

に抗生物質を保持させることで，

MV

結合性の高い

Buttiauxella

属細菌を限定的に殺菌可 能であることを見出している⁷⁾．特に微生物細胞は遺 伝子操作が簡便であるため，内包する

DNA

や

small RNA

分子の制御，さらには表層を自由に改変するこ とも将来的に可能であり，MVはバイオテクノロジー 技術としても有望なツールになるであろう．

謝 辞

本研究は，静岡大学の二又裕之教授，金原和秀教 授，新谷政己准教授，さらには理化学研究所の大熊盛 也室長との共同研究により遂行したものであり，御礼 を申し上げます．また，本研究成果は静岡大学大学院 生諸氏の努力により得られたものであり，感謝の意を 表します．

文 献

1) Tashiro, Y. et al. (2011) Environ. Microbiol. 14, 1349-1362. DOI:

10.1111/j.1462-2920.2011.02632.x.

2) Bladen, H. A. et al. (1963) J. Bacteriol. 86, 1339-1344.

3) Tashiro, Y. et al. (2009) J. Bacteriol. 191, 7509-7519. DOI:

10.1128/jb.00722-09.

4) Bomberger, J. M. et al. (2009) PLoS Pathog. 5, e1000382. DOI:

10.1371/journal.ppat.1000382.

5) Hasegawa, Y. et al. (2015) Front. Microbiol. 6, 633. DOI: 10.3389/

fmicb.2015.00633.

6) Mashburn, L. M. et al. (2005) Nature 437, 422-425. DOI:

10.1038/nature03925.

7) Tashiro, Y. et al. (2017) Front. Microbiol. 8, 571. DOI: 10.3389/

fmicb.2017.00571.

8) Kadurugamuwa, J. L., Beveridge, T. J. (1996) J. Bacteriol. 178, 2767-2774. DOI: 10.1128/jb.178.10.2767-2774.1996.

9) Hermansson, M. (1999) Colloids Surf. B Biointerfaces 14, 105-119.

DOI: 10.1016/S0927-7765(99)00029-6.

10) Gujrati, V. et al. (2014) ACS Nano 8, 1525-1537. DOI: 10.1021/

nn405724x.

た．この結果は，MVはランダムに細菌に取り込まれ ると考えられていた従来の概念を覆すものである．

4.

細菌―膜小胞間の物理化学的相互作用

細菌と

MVの結合・分散を評価する際に重要な因子

として，物理化学的な相互作用が挙げられる．細菌と

MV

をコロイド粒子と例えた場合，二粒子間の相互作 用は，表面電荷に基づくクーロン斥力とファンデル ワールス力の和で評価される．この理論は

Derjaguin，

Landau，Verwey，Overbeek

らの科学者により提案され たことから，DLVO理論と称される⁹⁾．筆者らは

MV

と細菌のそれぞれのゼータ電位・粒子径を測定し，

DLVO

理論により二粒子間の物理化学的相互作用を評 価した⁷⁾．その結果，Buttiauxella属細菌のゼータ電位 は他の細菌より負電荷が小さく，MVの選択的輸送の 要因として二粒子間のエネルギー障壁の低下が示され た（図

2）．一方，B. agrestis

由来の

MV

あるいは受容 細菌をプロテアーゼ処理するとゼータ電位は変化しな いものの細菌の

MV

取り込み量が低下することから，

表面電位と粒子径だけではなく，細胞膜に局在するタ ンパク質同士の特異的相互作用が

MV

輸送の特異性 を制御している可能性も考えられた．

5.

おわりに

これまで細菌における

MV

の研究はその特性や分 泌機構が主であったが，本研究により

MV

の標的選 択性情報伝達の例が初めて示された．しかし

MV

が 細菌細胞膜に融合する機構や

MV

により伝達される 物質については未解明な点が多く，細菌間メンブレン トラフィックの全貌を理解するためには，その一連の 機構の解明が今後の課題である．また，MVはバイオ フィルム中など菌体密度が高い環境条件で分泌されや すいことも知られている¹⁾．このような

MV

を介した 選択的情報伝達は，離れた細菌に目的の物質を効率良 く運搬することを可能にし，多種多様な細菌種が混在

図2

DLVO理論に基づくB. agrestis MVsの細菌との相互作用モデル．

（A）Buttiauxella属細菌との相互作用，（B）他の細菌との相互作用．